KR20180037351A - Apparatus and method for estimating bone structure using ultrasonic nonlinear parameter - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for predicting bone structure using ultrasonic nonlinear parameters.
골다공증은 골량의 감소 및 골구조의 파괴로 인해 작은 충격에도 골절이 쉽게 발생하는 전신적 골질환으로 정의되며, 고령 인구가 증가하고 있는 현대사회에서 골다공증은 당뇨병 및 심혈관 질환과 함께 가장 심각한 노인성 질환으로 인식되고 있다.Osteoporosis is defined as systemic bone disease in which fracture easily occurs even in small impacts due to decrease in bone mass and destruction of bone structure. In the modern society where the elderly population is increasing, osteoporosis is considered as the most serious geriatric disease together with diabetes and cardiovascular disease .
이때, 골다공증은 발병하고 나면 정상상태로 되돌릴 수 없는 비가역성 질환이라는 점에서 조기 진단 및 진단에 의한 예방이 중요시 되는 질병으로, 골다공증 진단을 위한 여러 가지 진단방법 중 대표적으로 이중 에너지 X-선 흡수계측법(dual energy X-ray absorptiometry; DEXA)을 이용한 골밀도 측정이 있다.In this regard, osteoporosis is an irreversible disease that can not be reversed to a normal state after the onset of the disease. Prevention by early diagnosis and diagnosis is important, and dual energy X-ray absorptiometry dual energy X-ray absorptiometry (DEXA).
그러나, 골다공증 진단을 위한 골밀도 측정은 골다공증의 진단 뿐 아니라 치료반응의 평가를 위하여 반복적인 측정이 이루어져야 하기 때문에 방사선을 이용하는 이중 에너지 X-선 흡수계측법은 방사선에 반복적으로 노출되어야 하는 위험성이 존재하였으며, 특히 임산부의 골밀도 측정에는 어려움이 있었다.However, since bone mineral density measurement for the diagnosis of osteoporosis requires repetitive measurement for the evaluation of not only osteoporosis but also evaluation of therapeutic response, dual energy X-ray absorptiometry using radiation has a risk of repeated exposure to radiation, Especially, it was difficult to measure the BMD of pregnant women.
그렇기에, 인체에 무해한 골다공증 진단 방법에 대한 연구가 다각도로 이루어지고 있으며, 이러한 연구에 일환으로 초음파를 이용하여 골다공증을 진단하는 정량적 초음파(quantitative ultrasound; QUS) 기술이 제시되었다.Therefore, there are many studies on the diagnosis of osteoporosis which is harmless to the human body, and quantitative ultrasound (QUS) technology for diagnosing osteoporosis using ultrasonic waves has been proposed as a part of this research.
여기서, 정량적 초음파 기술은 인체의 발 뒤꿈치 뼈 즉, 종골(calcaneus)에 초음파를 투과시키고, 종골의 음속(speed of sound; SOS) 및 광대역 초음파 감쇠(normalized broadband ultrasound attenuation; nBUA)와 같은 초음파 특성을 측정하여 전신의 골밀도(bone mineral density; BMD)를 간접적으로 예측하여 골다공증을 진단하는 방법으로써, 방사선을 이용한 골다공증 진단 방법에 비해 반복적인 검사에도 방사선 노출의 위험성이 전혀 없고, 진단기기의 가격 및 검진비용이 상대적으로 저렴하다.Quantitative ultrasound technology transmits ultrasound to the heel bones of the human body, that is, the calcaneus, and ultrasound characteristics such as the speed of sound (SOS) and normalized broadband ultrasound attenuation (nBUA) of the calcaneus. The method of diagnosing osteoporosis by indirectly predicting the bone mineral density (BMD) of the whole body as a method of diagnosing osteoporosis is as follows. There is no risk of radiation exposure even in repetitive examination, compared with the method of diagnosing osteoporosis using radiation, The cost is relatively inexpensive.
이러한 정량적 초음파 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0038812호(출원일 : 2003. 10. 23, 공개일 : 2005. 04. 29, 이하 ‘종래기술’이라 칭함.)에 제시된 바 있다.Such a quantitative ultrasonic technique is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2005-0038812 (filed on October 23, 2003, published on Apr. 29, 2005, hereinafter referred to as "prior art").
한편, 동일한 골밀도를 갖더라도 연령의 차이, 골절 관련 병력, 스테로이드류의 약물치료를 받은 경우, 및 인체의 골구조를 구성하는 해면질골 골소주 간격과 골 용량비율의 차이에 따라서 골절 발생률이 다르기 때문에 골밀도 뿐 아니라 골구조의 변화를 함께 고려해야할 필요성이 있다.On the other hand, even if they have the same bone density, the incidence of fracture differs according to the age, the history of fracture, the treatment of steroids, and the difference in the ratio of sponge bone between the sphenoid bone and the bone, As well as changes in bone structure.
그러나, 종래기술은 골다공증 진단을 위해 골밀도의 변화만을 측정하고 있어 골구조 변화로 인해 발생하는 골다공증의 원인 규명 및 진단에는 어려움이 존재하였다.However, in the prior art, since only the change of bone density is measured for the diagnosis of osteoporosis, it is difficult to identify and diagnose the cause of osteoporosis caused by the change of the bone structure.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 초음파 측정을 통해 골구조를 예측하고, 예측된 골구조로부터 골다공증 진단의 정확도를 향상시킬 수 있는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a technique for predicting a bone structure through ultrasound measurement and improving the accuracy of osteoporosis diagnosis from a predicted bone structure.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 장치는 인가된 전기적 신호를 초음파로 변환하는 송신부와 수신한 초음파를 전기적 신호로 변환하는 수신부를 포함하여 초음파를 송수신하고, 해면질골을 중심으로 초음파를 송수신하는 일면이 마주보도록 위치한 한 쌍의 초음파 변환기; 송신초음파에 대한 전기적 신호를 생성하여 상기 송신부로 전송하는 파형 발생부; 상기 수신부에서 수신된 수신초음파의 전기적 신호를 검출하는 신호처리부; 상기 신호처리부에서 검출된 전기적 신호를 분석하여 상기 해면질골의 비선형 변수를 산출하는 산출부; 및 상기 산출부에서 산출된 상기 비선형 변수와 상기 해면질골의 골구조 간의 상관관계를 통해 상기 해면질골의 골구조를 예측하는 골구조 예측부;를 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, an apparatus for predicting a bone structure using an ultrasonic non-linear parameter according to an embodiment of the present invention includes a transmitter for converting an applied electrical signal into an ultrasonic wave, and a receiver for converting the received ultrasonic wave into an electrical signal, A pair of ultrasound transducers for transmitting and receiving ultrasound waves, and a face for transmitting and receiving ultrasound waves around a cavernous bone; A waveform generator for generating an electrical signal for the transmission ultrasonic wave and transmitting the electrical signal to the transmitter; A signal processing unit for detecting an electrical signal of the ultrasonic wave received by the receiving unit; A calculation unit for analyzing the electrical signal detected by the signal processing unit and calculating a nonlinear parameter of the spongy bone; And a bone structure predicting unit for predicting a bone structure of the spongy bone through the correlation between the nonlinear parameter calculated by the calculating unit and the bone structure of the cavernous bone.
여기서, 상기 신호처리부는 상기 송신초음파가 갖는 기본주파수(이하, ‘f1 주파수’라 함.)의 2배인 주파수(이하, ‘f2 주파수’라 함.)를 갖는 수신초음파에 대한 전기적 신호를 선별적으로 검출할 수 있다.Here, the signal processing unit selects an electrical signal for a receiving ultrasonic wave having a frequency that is twice the fundamental frequency (hereinafter, referred to as 'f1 frequency') of the transmission ultrasonic wave (hereinafter, referred to as 'f2 frequency' Can be detected.
그리고, 상기 해면질골의 비선형 변수는 하기 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.The non-linear parameter of the spongy bone can be calculated by the following equation (1).
[수학식 1][Equation 1]
(여기서, (B/A)s는 해면질골의 비선형 변수, 는 한 쌍의 초음파 변환기 사이에 해면질골이 있는 경우에 해면질골을 투과한 f2주파수 성분의 진폭, 는 한 쌍의 초음파 변환기 사이에 해면질골이 없는 경우 물만을 투과한 f2주파수 성분의 진폭, L은 한 쌍의 초음파 변환기 사이의 거리, d는 해면질골의 두께, 은 f1주파수 성분에서 해면질골의 감쇠계수, 는 f2주파수 성분에서 해면질골의 감쇠계수,는 물/해면질골 사이 경계면에서의 음압투과계수, 는 해면질골/물 사이 경계면에서의 음압투과계수, 는 물의 밀도, 는 물의 음속, 는 해면질골의 밀도, 는 해면질골의 음속, (B/A)w는 물의 비선형 변수, exp는 지수함수)(B / A) s is the nonlinear parameter of the cavernous bone, The amplitude of the f2 frequency component transmitted through the spongy bone when there is a caudal bone between a pair of ultrasound transducers, L is the distance between a pair of ultrasound transducers, d is the thickness of the cavernous bone, d is the distance between the ultrasound transducers, Is the attenuation coefficient of the cavernous bone at frequency f1, Is the attenuation coefficient of the cavernous bone at the f2 frequency component, The permeability coefficient at the boundary between water / cavernous bone, Is the sound pressure transmission coefficient at the interface between the cavernous bone / water, The density of water, Is the speed of water, The density of spongy bone, (B / A) w is the nonlinear variable of water, exp is the exponential function)
또한, 상기 해면질골의 골구조는 골 용량비율(BT/TV) 및 골소주 간격(Tb.Sp)을 포함할 수 있다.In addition, the bone structure of the cavernous bone may include a bone capacity ratio (BT / TV) and a bone ankle interval (Tb.Sp).
그리고, 상기 골구조 예측부는 상기 해면질골의 비선형 변수를 독립변수로 하고, 상기 해면질골의 골 용량비율(BT/TV) 및 상기 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)을 종속변수로 하여, 독립변수와 각각의 종속변수를 회귀분석하고, 이로부터 도출된 상기 독립변수와 상기 종속변수 간의 상관관계를 포함할 수 있다.The bone structure predicting unit may include a non-linear parameter of the spongy bone as an independent variable, a bone capacity ratio (BT / TV) of the spongy bone, and a bone span spacing (Tb.Sp) Regression of the variable and each dependent variable, and the correlation between the dependent variable and the dependent variable derived therefrom.
이때, 상기 골구조 예측부에서 상기 해면질골의 비선형 변수 및 상기 해면질골의 골 용량비율(BT/TV)간의 상관관계는 상기 비선형 변수가 증가함에 따라 상기 해면질골의 골 용량비율(BT/VT)이 선형적으로 증가하는 양의 상관관계를 가질 수 있다.In this case, the correlation between the non-linear parameter of the spongy bone and the bone capacity ratio (BT / TV) of the spongy bone in the bone structure predicting unit is such that the bone capacity ratio (BT / VT) Can have a linearly increasing positive correlation.
또한, 상기 골구조 예측부에서 상기 해면질골의 비선형 변수 및 상기 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)간의 상관관계는 상기 비선형 변수가 증가함에 따라 상기 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)이 선형적으로 감소하는 음의 상관관계를 가질 수 있다.In addition, the correlation between the non-linear parameter of the spongy bone and the bone trabecular distance (Tb.Sp) of the spongy bone in the bone structure predicting unit is such that as the nonlinear parameter increases, the bone trabecular distance (Tb.Sp) And can have a negative correlation that decreases with time.
그리고, 상기 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 장치는 상기 골구조 예측부로부터 예측된 골구조를 출력하는 출력부;를 더 포함할 수 있다.The apparatus for predicting a bone structure using the ultrasonic nonlinear parameter may further include an output unit for outputting the bone structure predicted from the bone structure predicting unit.
한편, 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 방법은 초음파를 송수신하는 일면이 마주보도록 배열된 한 쌍의 초음파 변환기 중 송신부에서 송신하는 송신초음파를 해면질골에 입사시켜, 상기 송신초음파를 상기 해면질골을 투과시키는 초음파 투과 단계; 상기 초음파 투과 단계에서 상기 해면질골을 투과한 수신초음파를 한 쌍의 초음파 변환기 중 수신부가 수신하고, 상기 수신부는 수신된 수신초음파를 전기적 신호로 변환하는 신호 수신단계; 신호처리부가 상기 신호 수신 단계에서 변환된 상기 전기적 신호를 검출하고, 산출부는 상기 신호처리부에서 검출된 상기 전기적 신호를 분석하여 상기 해면질골의 비선형 변수를 산출하는 신호 처리단계; 및 골구조 예측부가 상기 신호 처리단계에서 산출된 상기 비선형 변수와 상기 해면질골의 골구조 간의 상관관계를 통해 상기 해면질골의 골구조를 예측하는 골구조 예측 단계;를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of predicting a bone structure using an ultrasonic nonlinear parameter, the method comprising the steps of: receiving a transmission ultrasonic wave from a transmitter, which is one of a pair of ultrasonic transducers, An ultrasonic wave transmitting step of causing the transmitted ultrasonic wave to penetrate the spongy bone; The receiving unit of the pair of ultrasonic transducers receiving the ultrasonic waves transmitted through the sponge bone in the ultrasonic wave transmitting step and the receiving unit converting the received ultrasonic waves into an electric signal; A signal processing step of the signal processing unit detecting the electrical signal converted in the signal receiving step and the calculating unit calculating the nonlinear parameter of the spongy bone by analyzing the electrical signal detected by the signal processing unit; And a bone structure predicting step of predicting a bone structure of the spongy bone through the correlation between the nonlinear parameter calculated in the signal processing step and the bone structure of the spongy bone.
여기서, 상기 신호 처리단계는 상기 송신초음파가 갖는 기본주파수(이하, ‘f1 주파수’라 함.)의 2배인 주파수(이하, f2 주파수라 함.)를 가지는 수신초음파에 대한 전기적 신호를 선별적으로 검출하는 검출단계를 포함할 수 있다.Here, the signal processing step may include selectively filtering an electrical signal for a receiving ultrasonic wave having a frequency that is twice the fundamental frequency (hereinafter, referred to as 'f1 frequency') of the transmitting ultrasonic wave (hereinafter, referred to as f2 frequency) And a detecting step of detecting the detected signal.
그리고, 상기 신호 처리단계는 상기 검출단계에서 검출된 상기 전기적 신호로부터 하기 수학식 1을 통해 상기 해면질골의 비선형 변수를 산출하는 산출단계를 포함할 수 있다.The signal processing step may include a calculating step of calculating a non-linear parameter of the spongy bone from the electrical signal detected in the detecting step, using the following equation (1).
[수학식 1][Equation 1]
(여기서, (B/A)s는 해면질골의 비선형 변수, 는 한 쌍의 초음파 변환기 사이에 해면질골이 있는 경우에 해면질골을 투과한 f2주파수 성분의 진폭, 는 한 쌍의 초음파 변환기 사이에 해면질골이 없는 경우 물만을 투과한 f2주파수 성분의 진폭, L은 한 쌍의 초음파 변환기 사이의 거리, d는 해면질골의 두께, 은 f1주파수 성분에서 해면질골의 감쇠계수, 는 f2주파수 성분에서 해면질골의 감쇠계수,는 물/해면질골 사이 경계면에서의 음압투과계수, 는 해면질골/물 사이 경계면에서의 음압투과계수, 는 물의 밀도, 는 물의 음속, 는 해면질골의 밀도, 는 해면질골의 음속, (B/A)w는 물의 비선형 변수, exp는 지수함수)(B / A) s is the nonlinear parameter of the cavernous bone, The amplitude of the f2 frequency component transmitted through the spongy bone when there is a caudal bone between a pair of ultrasound transducers, L is the distance between a pair of ultrasound transducers, d is the thickness of the cavernous bone, d is the distance between the ultrasound transducers, Is the attenuation coefficient of the cavernous bone at frequency f1, Is the attenuation coefficient of the cavernous bone at the f2 frequency component, The permeability coefficient at the boundary between water / cavernous bone, Is the sound pressure transmission coefficient at the interface between the cavernous bone / water, The density of water, Is the speed of water, The density of spongy bone, (B / A) w is the nonlinear variable of water, exp is the exponential function)
또한, 상기 해면질골의 골구조는 상기 해면질골의 골 용량비율(BT/TV) 및 골소주 간격(Tb.Sp)을 포함할 수 있다.In addition, the bone structure of the cavernous bone may include the bone capacity ratio (BT / TV) and the bone marrow spacing (Tb.Sp) of the cavernous bone.
그리고, 상기 골구조 예측단계는 상기 해면질골의 비선형 변수를 독립변수로 하고, 상기 해면질골의 골 용량비율(BT/TV) 및 상기 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)을 종속변수로 하여, 독립변수와 각각의 종속변수를 회귀분석하고, 상기 독립변수와 상기 종속변수 간의 상관관계를 도출하며, 도출된 상관관계로부터 골구조를 예측할 수 있다.In the bone structure predicting step, the non-linear parameter of the spongy bone is used as an independent variable, and the bone capacity ratio (BT / TV) of the spongy bone and the bone marrow spacing (Tb.Sp) A regression analysis of independent variables and respective dependent variables, a correlation between the independent variable and the dependent variable is derived, and a bone structure can be predicted from the derived correlation.
이때, 상기 골구조 예측단계에서 상기 해면질골의 비선형 변수 및 상기 해면질골의 골 용량비율(BT/TV)간의 상관관계는 상기 비선형 변수가 증가함에 따라 상기 해면질골의 골 용량비율(BT/VT)이 선형적으로 증가하는 양의 상관관계를 가질 수 있다.In this case, the correlation between the non-linear parameter of the spongy bone and the bone volume ratio (BT / TV) of the spongy bone in the bone structure predicting step is determined by the BT / VT ratio of the spongy bone as the non- Can have a linearly increasing positive correlation.
또한, 상기 골구조 예측단계에서 해면질골의 비선형 변수 및 상기 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)간의 상관관계는 상기 비선형 변수가 증가함에 따라 상기 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)이 선형적으로 감소하는 음의 상관관계를 가질 수 있다.In addition, the correlation between the nonlinear parameters of the spongy bone and the bone marrow space (Tb.Sp) of the spongy bone in the bone structure predicting step is such that as the nonlinear parameter increases, the bone marrow space (Tb.Sp) As shown in FIG.
그리고, 상기 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 방법은 상기 골구조 예측단계에서 예측된 결과를 출력부에 출력하는 출력단계;를 더 포함할 수 있다.The method of predicting a bone structure using the ultrasonic nonlinear parameter may further include outputting a result predicted by the bone structure prediction step to an output unit.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the present invention has the following effects.
첫째, 동일한 골밀도를 갖더라도 골 소주 간격 및 골 용량 비율을 포함하는 골구조에 따라 상이한 골절 발생률을 가지므로, 초음파 비선형 변수를 이용하여 골구조를 예측함으로써, 골다공증 진단의 정확도를 향상시킬 수 있다.First, even if they have the same bone density, they have different fracture incidence rates depending on the bone structure including the bone marrow aspiration interval and the bone volume ratio, so that the accuracy of diagnosis of osteoporosis can be improved by predicting the bone structure using ultrasonic nonlinear parameters.
둘째, 초음파 투과법을 이용하여 측정된 해면질골의 비선형 변수는 해면질골의 비선형 변수와 해면질골의 골용량비율 및 해면질골의 골소주 간격 간 각각의 높은 상관관계로부터 골용량 비율 및 골소주 간격을 포함하는 골구조의 예측이 가능할 수 있다.Second, the nonlinear parameters of spongiform bone measured by ultrasonography include the ratio of bone capacity and bone space from the high correlation between the nonlinear variables of spongiform bone, the bone volume ratio of sponge bone, and the bone marrow space of spongy bone. Prediction of the bone structure may be possible.
셋째, 기존의 정량적 초음파 기술에 사용되던 파라미터와 더불어 새로운 파라미터인 초음파 비선형 변수를 제공함으로써 골구조 예측이 가능하여, 종래의 음속 및 광대역 초음파 감쇠율 만을 이용해 골밀도를 측정하는 방식에 비해 본 발명은 골밀도와 더불어 골구조를 함께 평가할 수 있어, 골다공증 진단의 정확도를 향상시킬 수 있다.Third, compared to a method of predicting bone structure by providing ultrasonic nonlinear parameters, which are new parameters in addition to the parameters used in existing quantitative ultrasonic techniques, and comparing bone density by using only conventional sonic velocity and wide-band ultrasound attenuation, In addition, the bone structure can be evaluated together, and the accuracy of diagnosis of osteoporosis can be improved.
넷째, 본 발명은 초음파를 조사하여 골다공증 진단이 이루어지므로 측정자가 방사선에 노출 될 위험이 없기 때문에 측정자에게 안전한 측정 방법을 제공할 수 있다.Fourth, since the diagnosis of osteoporosis is made by irradiating ultrasonic waves, the present invention can provide a safe measurement method to a measurer since there is no risk that a measurer is exposed to radiation.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 장치를 도시한 개략도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해면질골 팬텀의 비선형 변수 및 골구조 간의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 방법을 도시한 흐름도이다.1 is a schematic view showing an apparatus for predicting a bone structure using an ultrasonic non-linear parameter according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing a correlation between a nonlinear parameter and a bone structure of a spongy bone phantom according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a bone structure predicting method using an ultrasonic non-linear parameter according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.The preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which the technical parts already known will be omitted or compressed for simplicity of explanation.
<초음파 비선형 변수를 이용한 <Using ultrasonic nonlinear variables 골구조Bone structure 예측 장치에 대하여> About predictors>
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 장치를 도시한 개략도이다.1 is a schematic view showing an apparatus for predicting a bone structure using an ultrasonic non-linear parameter according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 장치(100)는 한 쌍의 초음파 변환기(110), 파형 발생부(120), 신호처리부(130), 산출부(140), 골구조 예측부(150), 출력부(160)을 포함하여 구성된다.An apparatus 100 for predicting a bone structure using an ultrasonic nonlinear parameter according to an embodiment of the present invention includes a pair of
한 쌍의 초음파 변환기(110)는 인가된 전기적 신호를 초음파로 변환하거나, 수신한 초음파를 전기적 신호로 변환하는 것이 가능하다.The pair of
이때, 한 쌍의 초음파 변환기(110) 중 어느 하나는 전기적 신호를 초음파로 변환하여 송신초음파를 송신하는 송신부(111)로 동작하며, 한 쌍의 초음파 변환기(110) 중 다른 하나는 수신초음파를 전기적 신호로 변환하는 수신부(112)로 동작한다.At this time, any one of the pair of the
여기서, 한 쌍의 초음파 변환기(110)는 초음파를 송수신하는 일면이 마주보도록 위치하며, 한 쌍의 초음파 변환기(110) 사이거리는 소정 간격 이격되어 있다.Here, the pair of
이때, 한 쌍의 초음파 변환기(110) 사이에는 해면질골(trabecular bone)이 위치할 수 있다.At this time, a trabecular bone may be positioned between the pair of
여기서, 해면질골은 매우 치밀한 구조를 갖는 피질골(cortical bone)과 함께 인체의 뼈를 구성하는 골조직으로, 피질골에 비하여 넓은 표면적을 가지고 있어 골조직 물질대사의 대부분이 해면질골에서 발생하며, 현재 임상에서 골다공증을 진단하기 위한 지표로서 해면질골의 골밀도를 측정하고 있다.Here, the spongy bone is a bone tissue that constitutes the bones of the human body together with a cortical bone having a very dense structure, and has a larger surface area than that of the cortical bone. Therefore, most of the bone tissue metabolism occurs in the caustic bone, The bone mineral density of spongiform bone is measured as an index for the diagnosis.
그렇기에, 본 발명의 일 실시예에서는 해면질골과 유사한 골구조를 갖는 발포 금속 중 하나인 알루미늄 폼(aluminum foam)으로 제작된 해면질골 팬텀(P)을 위치시켰다.Therefore, in one embodiment of the present invention, the spongy bone phantom P made of aluminum foam, which is one of the foamed metals having the bone structure similar to the spongy bone, is placed.
여기서, 해면질골 팬텀(P)은 후술할 골구조 예측부(150)에 골구조 예측 지표로서 포함되기 위하여 다수개가 이용되었으며, 해면질골 팬텀(P)은 3차원 그물 구조로 이루어진 해면질골과 유사하고, 각각이 상이한 다공구조를 가지도록 제작되었다.Here, a plurality of spongy bone phantom P are used to be included in the bone structure predicting unit 150 to be described later as a bone structure predicting index, and the spongy bone phantom P is similar to the spongy bone formed of a three- , Each having a different porous structure.
또한, 알루미늄의 음속(약 5000m/s)은 무기질골의 음속(약 2520-4290 m/s)과 비교적 큰 차이를 나타내지 않으므로 본 발명의 일 실시예에서는 해면질골 팬텀(P)이 이용되었다.In addition, the spongy bone phantom (P) was used in an embodiment of the present invention since the sound velocity of aluminum (about 5000 m / s) does not show a comparatively large difference from the sonic velocity of the mineral bone (about 2520-4290 m / s).
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 장치(100)의 한 쌍의 초음파 변환기(110)는 수중에 설치되며, 물은 인체의 연부조직과 유사한 음향특성을 가지며, 초음파 전파 매질로서 이용된다.The pair of
이때, 물은 증류수를 이용할 수 있다.At this time, distilled water can be used as water.
파형 발생부(120)는 초음파 변환기(110)를 구동시키는 역할을 하며, 송신초음파에 대한 전기적 신호를 생성하여 송신부(111)로 전송한다.The waveform generating unit 120 drives the
이때, 파형 발생부(120)가 생성하는 전기적 신호는 펄스 형태 혹은 연속파 형태가 될 수 있다.At this time, the electrical signal generated by the waveform generating unit 120 may be in the form of a pulse or a continuous wave.
여기서, 본 발명의 일 실시예에서는 펄스 형태의 송신초음파를 발생시키기 위한 전기적 신호를 생성하였다.Herein, in one embodiment of the present invention, an electrical signal for generating a transmission ultrasonic wave in the form of a pulse is generated.
신호처리부(130)는 수신부(112)에서 수신한 수신초음파의 전기적 신호를 검출한다.The signal processing unit 130 detects an electric signal of the ultrasonic wave received by the
이때, 검출된 전기적 신호의 증폭 및 필터링 과정이 수행될 수 있다.At this time, amplification and filtering of the detected electrical signal can be performed.
또한, 신호처리부(130)는 송신초음파가 갖는 기본주파수(이하, ‘f1 주파수’라 함.)의 2배인 주파수(이하, ‘f2 주파수’라 함.)를 갖는 수신초음파에 대한 전기적 신호를 선별적으로 검출한다.The signal processing unit 130 selects an electric signal for a receiving ultrasonic wave having a frequency that is twice the fundamental frequency (hereinafter, referred to as 'f1 frequency') of the transmitting ultrasonic wave .
산출부(140)는 신호처리부(130)에서 검출된 전기적 신호를 분석하여 해면질골의 비선형 변수(B/A)를 산출한다.The calculation unit 140 analyzes the electrical signal detected by the signal processing unit 130 and calculates a non-linear parameter B / A of the spongy bone.
이때, 해면질골의 비선형 변수(B/A)는 하기 수학식1에 의해 산출된다.At this time, the nonlinear parameter (B / A) of the caudal bone is calculated by the following equation (1).
[수학식 1][Equation 1]
(여기서, (B/A)s는 해면질골의 비선형 변수, 는 한 쌍의 초음파 변환기 사이에 해면질골이 있는 경우에 해면질골을 투과한 f2주파수 성분의 진폭, 는 한 쌍의 초음파 변환기 사이에 해면질골이 없는 경우 물만을 투과한 f2주파수 성분의 진폭, L은 한 쌍의 초음파 변환기 사이의 거리, d는 해면질골의 두께, 은 f1주파수 성분에서 해면질골의 감쇠계수, 는 f2주파수 성분에서 해면질골의 감쇠계수,는 물/해면질골 사이 경계면에서의 음압투과계수, 는 해면질골/물 사이 경계면에서의 음압투과계수, 는 물의 밀도, 는 물의 음속, 는 해면질골의 밀도, 는 해면질골의 음속, (B/A)w는 물의 비선형 변수, exp는 지수함수)(B / A) s is the nonlinear parameter of the cavernous bone, The amplitude of the f2 frequency component transmitted through the spongy bone when there is a caudal bone between a pair of ultrasound transducers, L is the distance between a pair of ultrasound transducers, d is the thickness of the cavernous bone, d is the distance between the ultrasound transducers, Is the attenuation coefficient of the cavernous bone at frequency f1, Is the attenuation coefficient of the cavernous bone at the f2 frequency component, The permeability coefficient at the boundary between water / cavernous bone, Is the sound pressure transmission coefficient at the interface between the cavernous bone / water, The density of water, Is the speed of water, The density of spongy bone, (B / A) w is the nonlinear variable of water, exp is the exponential function)
여기서, 물의 밀도()는 1000 kg/m³을 이용하였으며, 물의 음속()은 하기 수학식2에 의해 계산되었다.Here, the density of water ( ) Was used at 1000 kg / m³ and the sound velocity of water ) Was calculated by the following equation (2).
[수학식 2]&Quot; (2) "
(여기서, 는 온도에 의존하는 수중에서의 음속(m/s), T는 수중 섭씨온도)(here, (M / s) in water dependent on the temperature, T is the water temperature in water)
또한, 해면질골의 음속()은 하기 수학식 3에 의해 계산되었다.In addition, the sonic velocity of cavernous bone ) Was calculated by the following equation (3).
[수학식3]&Quot; (3) "
(여기서, SOS는 해면질골의 음속(m/s), 는 수중에서의 음속(m/s), 는 초한 쌍의 초음파 변환기 사이에 해면질골이 없는 경우 수신된 기준신호와 한 쌍의 초음파 변환기 사이에 해면질골이 있는 경우 수신된 수신신호간의 수신시간 차이, d는 해면질골의 두께)(Where SOS is the sound velocity of the cavernous bone, m / s) (M / s) in water, Is the difference in reception time between the received reference signal and the received signal when there is a sponge bone between a pair of ultrasonic transducers, d is the thickness of the cavernous bone,
그리고, 물/해면질골 사이 경계면에서의 음압투과계수()는 하기 수학식 4에 의해 계산되었다.The permeability coefficient at the interface between water / cavernous bone ( ) Was calculated by the following equation (4).
[수학식 4]&Quot; (4) "
(여기서, 는 물/해면질골 사이 경계면에서의 음압투과계수, 는 물의 밀도, 는 물의 음속, 는 해면질골의 밀도, 는 해면질골의 음속)(here, The permeability coefficient at the boundary between water / cavernous bone, The density of water, Is the speed of water, The density of spongy bone, The sonic velocity of the cavernous bone)
또한, 해면질골/물 사이 경계면에서의 음압투과계수()는 하기 수학식 5에 의해 계산되었다.In addition, the sound pressure transmission coefficient at the interface between cavernous bone / water ( ) Was calculated by the following equation (5).
[수학식 5]&Quot; (5) "
(여기서, 는 물/해면질골 사이 경계면에서의 음압투과계수, 는 물의 밀도, 는 물의 음속, 는 해면질골의 밀도, 는 해면질골의 음속)(here, The permeability coefficient at the boundary between water / cavernous bone, The density of water, Is the speed of water, The density of spongy bone, The sonic velocity of the cavernous bone)
그리고, f1주파수 성분의 해면질골 감쇠계수()는 하기 수학식 6에 의해 계산되었다.The spontaneous bone damping coefficient of the frequency component f1 ( ) Was calculated by the following equation (6).
[수학식 6]&Quot; (6) "
(여기서, 은 f1 주파수 성분의 해면질골 감쇠계수(dB/cm), d는 해면질골의 두께, 는 해면질골이 없는 경우에 수신된 f1 주파수 신호의 파워스펙트럼레벨 , 는 해면질골이 있는 경우에 수신된 f1 주파수 신호의 파워스펙트럼레벨, 는 물과 해면질골 사이의 경계면에서 파워투과계수, ln은 자연로그)(here, Is the spongy bone damping coefficient (dB / cm) of the frequency component f1, d is the thickness of the cavernous bone, Is the power spectral level of the received f1 frequency signal in the absence of spongy bone, Is the power spectral level of the received f1 frequency signal in the presence of spongy bone, Is the power transmission coefficient at the interface between water and cavernous bone, and ln is the natural logarithm)
또한, f2주파수 성분의 해면질골 감쇠계수()는 하기 수학식 7에 의해 계산되었다.Also, the sponge bone damping coefficient of the frequency component f2 ( ) Was calculated by the following equation (7).
[수학식 7]&Quot; (7) "
(여기서, 은 f2 주파수 성분의 해면질골 감쇠계수(dB/cm), d는 해면질골의 두께, 는 해면질골이 없는 경우에 수신된 f2 주파수 신호의 파워스펙트럼레벨 , 는 해면질골이 있는 경우에 수신된 f2 주파수 신호의 파워스펙트럼레벨, 는 물과 해면질골 사이의 경계면에서 파워투과계수, ln은 자연로그)(here, (DB / cm) of the sponge bone damping coefficient of the frequency component f2, d is the thickness of the cavernous bone, Is the power spectrum level of the received f2 frequency signal in the absence of spongy bone, Is the power spectral level of the received f2 frequency signal in the presence of spongy bone, Is the power transmission coefficient at the interface between water and cavernous bone, and ln is the natural logarithm)
골구조 예측부(150)는 산출부(140)에서 산출된 비선형 변수(B/A)와 해면질골의 골구조 간의 상관관계를 통해 해면질골의 골구조를 예측한다.The bone structure predicting unit 150 predicts the bone structure of the cavernous bone through the correlation between the nonlinear parameter (B / A) calculated by the calculator 140 and the bone structure of the cavernous bone.
이때, 해면질골의 골구조는 기둥 형상의 골소주(bone trabecula)를 포함하는 조직체적에서 골소주가 차지하는 골체적의 비로 나타내는 골 용량비율(BT/TV) 및 골소주 간의 간격을 의미하는 골소주 간격(trabecular spacing; Tb.Sp)를 포함한다.At this time, the bone structure of the cavernous bone is represented by the ratio of the bone volume (BT / TV) represented by the bone volume occupied by the bone mineral in the tissue volume including the columnar bone trabecula and the trabecular spacing ; Tb.Sp).
여기서, 골구조 예측부(150)는 해면질골의 비선형 변수(B/A)를 독립변수로 하고, 해면질골의 골 용량비율(BT/TV) 및 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)을 종속변수로 하여, 독립변수와 각각의 종속변수를 회귀분석하고, 이로부터 도출된 독립변수와 각각의 종속변수 간의 상관관계를 포함한다.Herein, the bone structure predicting unit 150 determines the spontaneous bone volume ratio (BT / TV) of the spongy bone and the bone marrow spacing (Tb.Sp) of the spongy bone as dependent variables, The independent variable and each dependent variable are regressed, and the independent variable derived from this and the correlation between each dependent variable are included.
이때, 도2(a)에 도시된 바와 같이 해면질골 팬텀(P)의 비선형 변수(B/A)와 해면질골 팬텀(P)의 골 용량비율(BT/TV)간의 상관관계는 비선형 변수(B/A)가 증가함에 따라 해면질골 팬텀(P)의 골 용량비율(BT/TV)가 선형적으로 증가하는 양의 상관관계를 갖는 것을 확인할 수 있다.The correlation between the nonlinear parameter B / A of the spongy bone phantom P and the bone capacity ratio BT / TV of the spongy bone phantom P as shown in FIG. 2 (a) / A), the bone capacity ratio (BT / TV) of the spongy bone phantom (P) increases linearly.
또한, 도2(b)에 도시된 바와 같이 해면질골 팬텀(P)의 비선형 변수(B/A) 및 해면질골 팬텀(P)의 골소주 간격(Tb.Sp)간의 상관관계는 비선형 변수(B/A)가 증가함에 따라 해면질골 팬텀(P)의 골소주 간격(Tb.Sp)이 선형적으로 감소하는 음의 상관관계를 갖는 것을 확인할 수 있다.2B, the correlation between the nonlinear parameter B / A of the spongy bone phantom P and the pitch distance Tb.Sp of the spongy bone phantom P is represented by a nonlinear parameter B / A) of the spongy bone phantom (P) increases linearly with the bone pitch interval (Tb.Sp) of the spongy bone phantom (P).
여기서, 본 발명의 일 실시예에서는 해면질골 팬텀(P)의 비선형 변수(B/A)와 해면질골 팬텀(P)의 골구조 간의 상관관계를 포함하였지만, 해면질골 팬텀(P)과 인체의 해면질골은 유사한 구조 및 음향 특성을 가지므로, 상술한 상관관계를 통해 사람의 골구조 측정 또한 가능할 수 있으며, 이 경우 골구조 예측부(150)에 포함되는 상관관계는 임상으로 측정된 사람의 해면질골 비선형 변수(B/A)와 골구조의 상관관계가 될 수 있다.Although the embodiment of the present invention includes the correlation between the nonlinear parameter B / A of the spongy bone phantom P and the bone structure of the spongy bone phantom P, the spongy bone phantom P and the spongy body of the human body Since the bone has similar structure and acoustical characteristics, it is also possible to measure the human bone structure through the above-described correlation. In this case, the correlation included in the bone structure predicting unit 150 is a correlation between the clinically measured human spongy bone Nonlinear variables (B / A) can be correlated with bone structure.
또한, 골구조 예측부(150)에 포함되는 상관관계는 해면질골 뿐 아니라 피질골과 연부조직이 포함된 경우 이루어진 측정결과가 포함될 수 있다.In addition, the correlation included in the bone structure predicting unit 150 may include measurement results of not only spongy bone but also cortical bone and soft tissue.
이때, 초음파 측정을 통해 계산된 해면질골의 비선형 변수(B/A)는 골구조 예측부(150)에 포함된 해면질골의 비선형 변수(B/A)와 해면질골의 골구조 간의 상관관계를 통해 해당 비선형 변수(B/A)에 대응되는 골구조가 도출될 수 있고, 이로부터 예측되는 골다공증 진단 결과를 예측할 수 있다.The non-linear parameter (B / A) of the cavernous bone calculated through the ultrasonic measurement is determined by the correlation between the nonlinear parameter (B / A) of the cavernous bone included in the bone structure predicting unit 150 and the bone structure of the cavernous bone The bone structure corresponding to the nonlinear parameter (B / A) can be derived, and the predicted osteoporosis diagnosis result can be predicted therefrom.
예를 들어, 비선형 변수(B/A)가 작은 값을 가진다면, 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)이 넓으므로 골소주(T)가 적게 존재한다는 것을 의미하며, 해면질골의 골 용량비율(BV/TV)이 적은 값을 가지게 된다.For example, if the nonlinear parameter (B / A) has a small value, it means that there is a small amount of bone trabeculae (T) because the interval between bone marrow traces (Tb.Sp) BV / TV) has a small value.
또한, 비선형 변수(B/A)가 큰 값을 가진다면, 골소주 간격(Tb.Sp)은 좁은 값을 가지므로, 골소주가 많이 존재한다는 것을 의미하며, 골 용량비율(BV/TV)은 큰 값을 가지게 된다.If the nonlinear parameter (B / A) has a large value, it means that there is a large number of bone trabeculae since the bone trabecular distance (Tb.Sp) has a narrow value, and the bone volume ratio (BV / TV) .
여기서, 골소주가 적게 존재한다는 것은 골다공증의 위험도가 높다는 것을 의미한다.Here, the presence of a small amount of bone marrow means that the risk of osteoporosis is high.
출력부(160)는 골구조 예측부(150)로부터 골 용량비율(BV/TV) 및 골소주 간격(Tb.Sp)을 포함하는 골구조와 더불어 골구조로부터 예측되는 골다공증 진단 결과를 함께 출력할 수 있다.The output unit 160 can output the osteoporosis diagnosis result predicted from the bone structure together with the bone structure including the bone volume ratio BV / TV and the bone marrow space Tb.Sp from the bone structure predicting unit 150 have.
이때, 출력부(160)는 음성신호 또는 영상신호로 출력이 가능한 스피커, 디스플레이 모니터 등을 포함할 수 있다.At this time, the output unit 160 may include a speaker, a display monitor, and the like capable of outputting a voice signal or a video signal.
<초음파 비선형 변수를 이용한 <Using ultrasonic nonlinear variables 골구조Bone structure 예측 방법에 대하여> About prediction method>
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 방법을 도시한 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a bone structure predicting method using an ultrasonic non-linear parameter according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일실시예에 따른 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 방법은 초음파 투과단계(S100), 신호 수신단계(S200), 신호 처리단계(S300), 골구조 예측단계(S400), 출력단계(S500)를 포함한다.The method of predicting a bone structure using an ultrasonic nonlinear parameter according to an embodiment of the present invention includes the steps of transmitting an ultrasonic wave (S100), receiving a signal (S200), processing a signal (S300), estimating a bone structure (S400) S500).
초음파 투과단계(S100)는 한 쌍의 초음파 변환기(110) 중 송신부(111)에서 송신하는 송신초음파를 해면질골에 입사시켜 해면질골에 송신초음파를 투과시키는 단계이다.The ultrasound transmission step S100 is a step of transmitting ultrasonic waves to be transmitted to the cavernous bone by transmitting ultrasound waves transmitted from the
이때, 송신초음파는 펄스 형태로 마련될 수 있으며, 파형 발생부(120)가 펄스파에 대한 전기적 신호를 송신부(111)에 전송하면, 송신부(111)는 해당 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하여 펄스 형태의 송신초음파를 발생시키고, 발생된 펄스 형태의 송신초음파는 해면질골을 투과하게 된다.In this case, the transmission ultrasonic wave may be provided in the form of a pulse. When the waveform generator 120 transmits an electric signal to the pulse transmitter to the
여기서, 송신부(111)는 중심주파수 0.5 MHz를 가지는 비 집속형 트랜스듀서가 이용될 수 있다.Here, a non-focusing type transducer having a center frequency of 0.5 MHz may be used as the transmitting
신호 수신단계(S200)는 초음파 투과단계(S100)에서 해면질골을 투과한 초음파(이하, ‘수신초음파’라 함.)를 한 쌍의 초음파 변환기 중 수신부(112)가 수신하고, 수신부(112)는 수신된 수신초음파를 전기적 신호로 변환하는 단계이다.In the signal receiving step S200, the receiving
여기서, 수신부(112)는 중심주파수 1 MHz를 가지는 비 집속형 트랜스듀서가 이용될 수 있다.Here, a non-focusing type transducer having a center frequency of 1 MHz may be used as the receiving
이때, 송신부(111)와 수신부(112)는 송수신하는 일면이 마주보도록 위치하며, 송신부(111)와 수신부(112)간의 사이 거리는 약 60 mm를 가질 수 있다.At this time, the transmitting
여기서, 송신부(111)와 수신부(112)간의 거리는 초음파 변환기(100)의 근거리 음장(near filed length; NFL)에 의해 결정될 수 있다.The distance between the transmitting
이때, 근거리 음장은 비 집속형 트랜스듀서를 통해 초음파가 발생할 경우 초음파의 빔 폭이 가장 좁아지는 지점을 의미하며, 해면질골은 그 중심이 송신부(111)의 근거리 음장 길이와 일치하는 지점에 위치하도록 할 수 있다.At this time, the near-field sound field is a point where the beam width of the ultrasonic wave is narrowest when ultrasonic waves are generated through the non-focusing transducer, and the sponge bone is located at a position where the center thereof coincides with the near- can do.
신호 처리단계(S300)는 신호 수신단계(S200)에서 변환된 전기적 신호를 검출하고, 검출된 전기적 신호를 분석하여 해면질골의 비선형 변수(B/A)를 산출하는 단계이다.The signal processing step S300 is a step of calculating the nonlinear parameter B / A of the spongy bone by detecting the electrical signal converted in the signal reception step S200 and analyzing the detected electrical signal.
이때, 신호 처리단계(S300)는 신호 검출단계(S310)과 산출단계(S320)를 포함한다.At this time, the signal processing step S300 includes a signal detecting step S310 and a calculating step S320.
여기서, 신호 처리단계(S300)는 신호처리부(130)에서 이루어지며, 송신초음파가 갖는 f1주파수의 2배인 주파수 f2주파수를 갖는 수신초음파에 대한 전기적 신호를 선별적으로 검출하는 단계이다.Here, the signal processing step S300 is a step of selectively detecting an electrical signal for a receiving ultrasonic wave having a frequency f2 frequency which is twice the frequency f1 of the transmitting ultrasonic wave, which is performed in the signal processing unit 130. [
또한, 산출단계(S320)는 산출부(140)에서 이루어지며, 검출단계(S310)에서 검출된 전기적 신호로부터 상술한 수학식 1을 통해 해면질골의 비선형 변수(B/A)를 산출하는 단계이다.The calculation step S320 is performed by the calculation unit 140 and is a step of calculating the nonlinear parameter B / A of the spongy bone from the electrical signal detected in the detection step S310 .
이때, 비선형 변수(B/A)를 산출하기 위한 파리미터들의 값의 산출 또한 이루어지며, 상술한 수학식 2 내지 수학식 7을 통해 산출될 수 있다.At this time, calculation of the values of the parameters for calculating the nonlinear variable B / A is also performed and can be calculated through the above-described Equations (2) to (7).
골구조 예측단계(S400)는 골구조 예측부(150)에서 이루어지며, 신호 처리단계(S300)에서 산출된 비선형 변수(B/A)와 해면질골의 골구조 간의 상관관계를 통해 해면질골의 골구조를 예측하는 단계이다.The bone structure predicting step S400 is performed in the bone structure predicting unit 150. The correlation between the nonlinear parameter B / A calculated in the signal processing step S300 and the bone structure of the cavernous bone, It is a step to predict the structure.
여기서, 해면질골의 골구조는 해면질골의 골 용량비율(BT/TV) 및 골소주 간격(Tb.Sp)를 포함한다.Here, the bone structure of the cavernous bone includes the bone capacity ratio (BT / TV) of the cavernous bone and the bone marrow interval (Tb.Sp).
이때, 골구조 예측단계(S400)는 해면질골의 비선형 변수(B/A)를 독립변수로 하고, 해면질골의 골 용적비율(BT/VT) 및 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)을 종속변수로 하여, 독립변수와 각각의 종속변수를 회귀분석하고, 상기 독립변수와 종속변수들 간의 상관관계를 도출하여 도출된 상관관계로부터 골구조를 예측한다.At this time, the bone structure predicting step (S400) determines the bone volume ratio (BT / VT) of the spongy bone and the bone marrow spacing (Tb.Sp) of the spongy bone as the dependent variable as the independent variable, The independent variable and each dependent variable are regressed and the correlation between the independent variable and the dependent variable is derived and the bone structure is predicted from the derived correlation.
이때, 도2(a)에 도시된 바와 같이 해면질골의 비선형 변수(B/A)와 해면질골의 골 용량비율(BT/TV)간의 상관관계는 비선형 변수(B/A)가 증가함에 따라 해면질골의 골 용량비율(BT/TV)가 선형적으로 증가하는 양의 상관관계를 갖는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 2 (a), the correlation between the non-linear parameter (B / A) of the spongy bone and the bone capacity ratio (BT / TV) And the bone-to-bone ratio (BT / TV) ratio of the bone linearly increases.
또한, 도2(b)에 도시된 바와 같이 해면질골의 비선형 변수(B/A) 및 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)간의 상관관계는 비선형 변수(B/A)가 증가함에 따라 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)이 선형적으로 감소하는 음의 상관관계를 갖는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 2 (b), the correlation between the non-linear parameter (B / A) of the cavernous bone and the bone trabecular distance (Tb.Sp) (Tb.Sp) of the lower limb has a linearly decreasing negative correlation.
이때, 도2(a) 및 도2(b)는 해면질골과 유사한 골구조를 갖는 발포금속 중 하나인 알루미늄 폼(aluminum foam)으로 제작된 18개의 해면질골 팬텀(P)의 초음파 비선형 변수(B/A)와 골구조 사이의 상관관계를 나타낸 것으로, 해면질골 팬텀(P)의 비선형 변수(B/A)와 해면질골 팬텀(P)의 골 용량비율(BT/VT)는 양의 상관관계가 있다는 것을 확인할 수 있으며, 선형회귀를 통해 구해진 피어슨(Pearson) 상관계수 R값은 0.71인 것을 통해 비선형 변수(B/A)와 골 용량비율(BT/VT)간의 높은 상관관계를 가지는 것을 알 수 있다.2 (a) and 2 (b) show the ultrasonic nonlinear parameters (B) of 18 cavernous bone phantoms (P) made of aluminum foam, which is one of the foamed metals having a similar bone structure to the caustic bone, (B / A) of the spongy bone phantom (P) and the bone volume ratio (BT / VT) of the spongy bone phantom (P) were positively correlated (B / A) and bone capacity ratio (BT / VT) through the Pearson correlation coefficient R value of 0.71 obtained by linear regression .
또한, 해면질골 팬텀(P)의 비선형 변수(B/A)와 해면질골 팬텀(P)의 골소주 간격(Tb.Sp)이 음의 상관관계가 있다는 것을 확인할 수 있으며, 선형회귀를 통해 구해진 피어슨 상관계수 R값은 -0.75인 것을 통해 비선형 변수(B/A)와 골소주 간격(Tp.Sp)이 높은 상관관계를 가지는 것을 알 수 있다.In addition, it can be confirmed that the nonlinear parameter (B / A) of the spongy bone phantom (P) has a negative correlation with the interval between the bone traces (Tb.Sp) of the spongy bone phantom (P), and the Pearson correlation The coefficient R value is -0.75. It can be seen that the nonlinear parameter (B / A) has a high correlation with the gap length (Tp.Sp).
이때, 측정자의 초음파 특성을 측정하여 비선형 변수(B/A)를 산출하고, 해면질골의 비선형 변수(B/A)와 해면질골 골구조 간의 상관관계를 통해 골구조를 도출할 수 있고, 이로부터 골다공증 진단 결과를 예측하는 것이 가능할 수 있다.At this time, the bone structure can be derived from the correlation between the nonlinear parameter (B / A) of the caustic bone and the sponge bone structure by measuring the ultrasonic characteristics of the measurer, calculating the nonlinear parameter (B / A) It may be possible to predict the diagnosis of osteoporosis.
예를 들어, 비선형 변수(B/A)가 작은 값을 가진다면, 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)이 넓으므로 골소주가 적게 존재한다는 것을 의미하며, 해면질골의 골 용량비율(BV/TV)이 적은 값을 가지게 된다.For example, if the nonlinear parameter (B / A) has a small value, it means that there is a small amount of bone trabeculae because the interval between the trabecular bone is large (Tb.Sp) ) Has a small value.
여기서, 골소주가 적게 존재한다는 것은 골다공증의 위험도가 높다는 것을 의미한다.Here, the presence of a small amount of bone marrow means that the risk of osteoporosis is high.
출력단계(S500)는 골구조 예측단계(S400)에서 예측된 결과를 출력부(160)에 출력하는 단계이다.The output step S500 is a step of outputting a result predicted in the bone structure predicting step S400 to the output unit 160. [
여기서, 예측된 골구조는 영상신호 또는 음성신호 등으로 출력될 수 있다.Here, the predicted bone structure can be output as a video signal, a voice signal, or the like.
이때, 예측된 결과는 골 용량비율(BV/TV) 및 골소주 간격(Tb.Sp)을 포함하는 골구조와 더불어 골구조로부터 예측되는 골다공증 진단 결과를 함께 출력할 수 있다.At this time, the predicted results can be output together with the bone structure including the bone capacity ratio (BV / TV) and the bone marrow interval (Tb.Sp) together with the osteoporosis diagnosis result predicted from the bone structure.
결국, 본 발명은, 초음파 투과법을 이용하여 측정된 해면질골의 비선형 변수는 해면질골의 비선형 변수와 해면질골의 골용량비율 및 해면질골의 골소주 간격 간 각각의 높은 상관관계로부터 골용량 비율 및 골소주 간격을 포함하는 골구조의 예측이 가능할 수 있고, 기존의 정량적 초음파 기술에 사용되던 파라미터와 더불어 새로운 파라미터인 초음파 비선형 변수를 제공함으로써 골구조 예측이 가능하여, 종래의 음속 및 광대역 초음파 감쇠율만을 이용해 골밀도를 측정하는 방식에 비해 본 발명은 골밀도와 더불어 골구조를 함께 평가할 수 있어, 골다공증 진단의 정확도를 향상시킬 수 있으며, 본 발명은 초음파를 조사하여 골다공증 진단이 이루어지므로 측정자가 방사선에 노출 될 위험이 없는 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 방법을 제공한다.As a result, in the present invention, the nonlinear parameters of the cavernous bone measured by the ultrasonic transmission method are determined from the high correlation between the non-linear parameter of the cavernous bone, the bone volume ratio of the cavernous bone, and the bone marrow space of the cavernous bone, It is possible to predict the bone structure including the interval and to predict the bone structure by providing the ultrasonic nonlinear parameter which is a new parameter in addition to the parameters used in the existing quantitative ultrasonic technique. Thus, the bone structure can be predicted using only the conventional sonic velocity and wide- The present invention can improve the accuracy of diagnosis of osteoporosis and can improve the accuracy of diagnosis of osteoporosis. In addition, since the present invention diagnoses osteoporosis by irradiating ultrasonic waves, A method of predicting bone structure using non-linear ultrasonic parameters The.
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 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. And the scope of the present invention should be understood as the following claims and their equivalents.
100 : 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 장치
110 : 초음파 변환기
111 : 송신부
112 : 수신부
120 : 파형 발생부
130 : 신호처리부
140 : 산출부
150 : 골구조 예측부
160 : 출력부
P : 해면질골 팬텀100: Bone structure prediction device using ultrasonic nonlinear variables
110: Ultrasonic transducer
111:
112:
120: Waveform generator
130: Signal processor
140:
150: Bone structure prediction unit
160: Output section
P: spongy bone phantom
Claims (16)
송신초음파에 대한 전기적 신호를 생성하여 상기 송신부로 전송하는 파형 발생부;
상기 수신부에서 수신된 수신초음파의 전기적 신호를 검출하는 신호처리부;
상기 신호처리부에서 검출된 전기적 신호를 분석하여 상기 해면질골의 비선형 변수를 산출하는 산출부; 및
상기 산출부에서 산출된 상기 비선형 변수와 상기 해면질골의 골구조 간의 상관관계를 통해 상기 해면질골의 골구조를 예측하는 골구조 예측부;를 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 장치.
A pair of ultrasound transducers for transmitting and receiving ultrasonic waves, the ultrasound transducer including a transmitting unit for converting an applied electrical signal into an ultrasonic wave and a receiving unit for converting the received ultrasonic wave into an electrical signal;
A waveform generator for generating an electrical signal for the transmission ultrasonic wave and transmitting the electrical signal to the transmitter;
A signal processing unit for detecting an electrical signal of the ultrasonic wave received by the receiving unit;
A calculation unit for analyzing the electrical signal detected by the signal processing unit and calculating a nonlinear parameter of the spongy bone; And
And a bone structure predicting unit for predicting a bone structure of the spongy bone through the correlation between the nonlinear parameter calculated by the calculating unit and the bone structure of the cavernous bone,
An apparatus for predicting bone structure using ultrasonic nonlinear variables.
상기 신호처리부는 상기 송신초음파가 갖는 기본주파수(이하, ‘f1 주파수’라 함.)의 2배인 주파수(이하, ‘f2 주파수’라 함.)를 갖는 수신초음파에 대한 전기적 신호를 선별적으로 검출하는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 장치.
The method according to claim 1,
The signal processing unit selectively detects an electric signal for a receiving ultrasonic wave having a frequency that is twice the fundamental frequency (hereinafter, referred to as 'f1 frequency') of the transmitted ultrasonic wave (hereinafter, referred to as 'f2 frequency') Characterized in that
An apparatus for predicting bone structure using ultrasonic nonlinear variables.
상기 해면질골의 비선형 변수는 하기 수학식 1에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 장치.
[수학식 1]
(여기서, (B/A)s는 해면질골의 비선형 변수, 는 한 쌍의 초음파 변환기 사이에 해면질골이 있는 경우에 해면질골을 투과한 f2주파수 성분의 진폭, 는 한 쌍의 초음파 변환기 사이에 해면질골이 없는 경우 물만을 투과한 f2주파수 성분의 진폭, L은 한 쌍의 초음파 변환기 사이의 거리, d는 해면질골의 두께, 은 f1주파수 성분에서 해면질골의 감쇠계수, 는 f2주파수 성분에서 해면질골의 감쇠계수,는 물/해면질골 사이 경계면에서의 음압투과계수, 는 해면질골/물 사이 경계면에서의 음압투과계수, 는 물의 밀도, 는 물의 음속, 는 해면질골의 밀도, 는 해면질골의 음속, (B/A)w는 물의 비선형 변수, exp는 지수함수)
3. The method of claim 2,
Characterized in that the non-linear parameter of the spongy bone is calculated by the following equation
An apparatus for predicting bone structure using ultrasonic nonlinear variables.
[Equation 1]
(B / A) s is the nonlinear parameter of the cavernous bone, The amplitude of the f2 frequency component transmitted through the spongy bone when there is a caudal bone between a pair of ultrasound transducers, L is the distance between a pair of ultrasound transducers, d is the thickness of the cavernous bone, d is the distance between the ultrasound transducers, Is the attenuation coefficient of the cavernous bone at frequency f1, Is the attenuation coefficient of the cavernous bone at the f2 frequency component, The permeability coefficient at the boundary between water / cavernous bone, Is the sound pressure transmission coefficient at the interface between the cavernous bone / water, The density of water, Is the speed of water, The density of spongy bone, (B / A) w is the nonlinear variable of water, exp is the exponential function)
상기 해면질골의 골구조는 골 용량비율(BT/TV) 및 골소주 간격(Tb.Sp)을 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 장치.
The method of claim 3,
Wherein the bone structure of the spongiform bone includes a bone-to-bone ratio (BT / TV) and a bone marrow interval (Tb.Sp)
An apparatus for predicting bone structure using ultrasonic nonlinear variables.
상기 골구조 예측부는 상기 해면질골의 비선형 변수를 독립변수로 하고, 상기 해면질골의 골 용량비율(BT/TV) 및 상기 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)을 종속변수로 하여, 독립변수와 각각의 종속변수를 회귀분석하고, 이로부터 도출된 상기 독립변수와 상기 종속변수 간의 상관관계를 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 장치.
5. The method of claim 4,
The bone structure predicting unit may include a non-linear parameter of the spongy bone as an independent variable, a bone capacity ratio (BT / TV) of the spongy bone, and a bone span interval (Tb.Sp) And a correlation between the dependent variable and the dependent variable derived from the regression analysis of each dependent variable.
An apparatus for predicting bone structure using ultrasonic nonlinear variables.
상기 골구조 예측부에서 상기 해면질골의 비선형 변수 및 상기 해면질골의 골 용량비율(BT/TV)간의 상관관계는 상기 비선형 변수가 증가함에 따라 상기 해면질골의 골 용량비율(BT/VT)이 선형적으로 증가하는 양의 상관관계를 갖는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 장치.
6. The method of claim 5,
The correlation between the non-linear parameter of the spongy bone and the bone capacity ratio (BT / TV) of the spongy bone in the bone structure predicting unit is such that the bone capacity ratio (BT / VT) And a positive correlation value
An apparatus for predicting bone structure using ultrasonic nonlinear variables.
상기 골구조 예측부에서 상기 해면질골의 비선형 변수 및 상기 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)간의 상관관계는 상기 비선형 변수가 증가함에 따라 상기 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)이 선형적으로 감소하는 음의 상관관계를 갖는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측장치.
6. The method of claim 5,
The correlation between the non-linear parameter of the spongy bone and the bone marrow gap (Tb.Sp) of the spongy bone in the bone structure predicting unit is such that the bone marrow gap (Tb.Sp) of the spongy bone is linearly And a negative correlation of decreasing
An apparatus for predicting bone structure using ultrasonic nonlinear variables.
상기 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 장치는 상기 골구조 예측부로부터 예측된 골구조를 출력하는 출력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측장치.
The method according to claim 1,
And an output unit for outputting the predicted bone structure from the bone structure predicting unit, wherein the bone structure predicting apparatus using the ultrasonic non-
An apparatus for predicting bone structure using ultrasonic nonlinear variables.
상기 초음파 투과 단계에서 상기 해면질골을 투과한 수신초음파를 한 쌍의 초음파 변환기 중 수신부가 수신하고, 상기 수신부는 수신된 수신초음파를 전기적 신호로 변환하는 신호 수신단계;
신호처리부가 상기 신호 수신 단계에서 변환된 상기 전기적 신호를 검출하고, 산출부는 상기 신호처리부에서 검출된 상기 전기적 신호를 분석하여 상기 해면질골의 비선형 변수를 산출하는 신호 처리단계; 및
골구조 예측부가 상기 신호 처리단계에서 산출된 상기 비선형 변수와 상기 해면질골의 골구조 간의 상관관계를 통해 상기 해면질골의 골구조를 예측하는 골구조 예측 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 방법.
An ultrasonic wave transmitting step of causing a transmitted ultrasonic wave transmitted from a transmitting unit of a pair of ultrasonic transducers arranged to face and transmit ultrasonic waves to the cavernous bone and transmitting the transmitted ultrasonic wave through the cavernous bone;
The receiving unit of the pair of ultrasonic transducers receiving the ultrasonic waves transmitted through the sponge bone in the ultrasonic wave transmitting step and the receiving unit converting the received ultrasonic waves into an electric signal;
A signal processing step of the signal processing unit detecting the electrical signal converted in the signal receiving step and the calculating unit calculating the nonlinear parameter of the spongy bone by analyzing the electrical signal detected by the signal processing unit; And
And a bone structure predicting step of predicting a bone structure of the spongy bone by the correlation between the nonlinear parameter calculated in the signal processing step and the bone structure of the spongy bone,
Estimation of Bone Structure Using Ultrasonic Nonlinear Parameters.
상기 신호 처리단계는 상기 송신초음파가 갖는 기본주파수(이하, ‘f1 주파수’라 함.)의 2배인 주파수(이하, f2 주파수라 함.)를 가지는 수신초음파에 대한 전기적 신호를 선별적으로 검출하는 검출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 방법.
10. The method of claim 9,
The signal processing step selectively detects an electrical signal for a receiving ultrasonic wave having a frequency which is twice the fundamental frequency (hereinafter, referred to as 'f1 frequency') of the transmitting ultrasonic wave (hereinafter, referred to as f2 frequency) Characterized by comprising a detecting step
Estimation of Bone Structure Using Ultrasonic Nonlinear Parameters.
상기 신호 처리단계는 상기 검출단계에서 검출된 상기 전기적 신호로부터 하기 수학식 1을 통해 상기 해면질골의 비선형 변수를 산출하는 산출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 방법.
[수학식 1]
(여기서, (B/A)s는 해면질골의 비선형 변수, 는 한 쌍의 초음파 변환기 사이에 해면질골이 있는 경우에 해면질골을 투과한 f2주파수 성분의 진폭, 는 한 쌍의 초음파 변환기 사이에 해면질골이 없는 경우 물만을 투과한 f2주파수 성분의 진폭, L은 한 쌍의 초음파 변환기 사이의 거리, d는 해면질골의 두께, 은 f1주파수 성분에서 해면질골의 감쇠계수, 는 f2주파수 성분에서 해면질골의 감쇠계수,는 물/해면질골 사이 경계면에서의 음압투과계수, 는 해면질골/물 사이 경계면에서의 음압투과계수, 는 물의 밀도, 는 물의 음속, 는 해면질골의 밀도, 는 해면질골의 음속, (B/A)w는 물의 비선형 변수, exp는 지수함수)
11. The method of claim 10,
Wherein the signal processing step includes a calculating step of calculating a non-linear parameter of the spongy bone from the electrical signal detected in the detecting step, using the following equation
Estimation of Bone Structure Using Ultrasonic Nonlinear Parameters.
[Equation 1]
(B / A) s is the nonlinear parameter of the cavernous bone, The amplitude of the f2 frequency component transmitted through the spongy bone when there is a caudal bone between a pair of ultrasound transducers, L is the distance between a pair of ultrasound transducers, d is the thickness of the cavernous bone, d is the distance between the ultrasound transducers, Is the attenuation coefficient of the cavernous bone at frequency f1, Is the attenuation coefficient of the cavernous bone at the f2 frequency component, The permeability coefficient at the boundary between water / cavernous bone, Is the sound pressure transmission coefficient at the interface between the cavernous bone / water, The density of water, Is the speed of water, The density of spongy bone, (B / A) w is the nonlinear variable of water, exp is the exponential function)
상기 해면질골의 골구조는 상기 해면질골의 골 용량비율(BT/TV) 및 골소주 간격(Tb.Sp)을 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the bone structure of the spongy bone includes the bone capacity ratio (BT / TV) and the bone ankle spacing (Tb.Sp) of the cavernous bone
Estimation of Bone Structure Using Ultrasonic Nonlinear Parameters.
상기 골구조 예측단계는 상기 해면질골의 비선형 변수를 독립변수로 하고, 상기 해면질골의 골 용량비율(BT/TV) 및 상기 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)을 종속변수로 하여, 독립변수와 각각의 종속변수를 회귀분석하고, 상기 독립변수와 상기 종속변수 간의 상관관계를 도출하며, 도출된 상관관계로부터 골구조를 예측하는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 방법.
13. The method of claim 12,
The bone structure predicting step may be performed by using the non-linear parameter of the spongy bone as an independent variable, taking the bone capacity ratio (BT / TV) of the spongy bone as the dependent variable and the bone span interval (Tb.Sp) And regression analysis of each dependent variable, deriving a correlation between the independent variable and the dependent variable, and predicting the bone structure from the derived correlation
Estimation of Bone Structure Using Ultrasonic Nonlinear Parameters.
상기 골구조 예측단계에서 상기 해면질골의 비선형 변수 및 상기 해면질골의 골 용량비율(BT/TV)간의 상관관계는 상기 비선형 변수가 증가함에 따라 상기 해면질골의 골 용량비율(BT/VT)이 선형적으로 증가하는 양의 상관관계를 갖는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 방법.
14. The method of claim 13,
The correlation between the non-linear parameter of the spongy bone and the bone capacity ratio (BT / TV) of the spongy bone in the bone structure predicting step is such that the bone capacity ratio (BT / VT) And a positive correlation value
Estimation of Bone Structure Using Ultrasonic Nonlinear Parameters.
상기 골구조 예측단계에서 해면질골의 비선형 변수 및 상기 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)간의 상관관계는 상기 비선형 변수가 증가함에 따라 상기 해면질골의 골소주 간격(Tb.Sp)이 선형적으로 감소하는 음의 상관관계를 갖는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 방법.
14. The method of claim 13,
In the bone structure predicting step, the correlation between the non-linear parameter of the spongy bone and the bone marrow interval (Tb.Sp) of the spongy bone decreases as the non-linear parameter increases, the bone marrow interval (Tb.Sp) of the spongy bone decreases linearly And a negative correlation with
Estimation of Bone Structure Using Ultrasonic Nonlinear Parameters.
상기 초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 방법은 상기 골구조 예측단계에서 예측된 결과를 출력부에 출력하는 출력단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 비선형 변수를 이용한 골구조 예측 방법.
10. The method of claim 9,
The method of predicting a bone structure using the ultrasonic nonlinear parameter may further include outputting a result predicted by the bone structure predicting step to an output unit
Estimation of Bone Structure Using Ultrasonic Nonlinear Parameters.
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