KR100400978B1 - 인체내의 임피던스를 영상화하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인체내의 임피던스 또는 저항율을 영상화하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 인체내에 적어도 하나의 방향으로 전류를 인가하기 위하여 상기 인체로부터 적어도 하나의 전극 쌍을 부착한다. MRI 장치는 상기 적어도 하나의 전극 쌍을 통하여 주입한 전류에 의해 상기 인체내의 적어도 하나의 전류 밀도 데이터를 구하며, 저항율 영상 장치는 소정의 알고리즘을 수행하여 상기 적어도 하나의 전류 밀도 데이터에 상응하는 저항율 분포 데이터를 구한다. 상기 적어도 하나의 저항율 분포 및 전류 밀도 데이터는 모니터를 통해 디스플레이된다.

Description

인체내의 임피던스를 영상화하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR IMAGING IMPEDANCE IN HUMAN BODY}

본 발명은 인체내의 임피던스를 영상화하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 기술은 의료 영상 분야에 해당한다. 의료 영상 분야에서는 X-선,MRI, 초음파등이 주로 이용되고 있으며, 핵의학 분야에서는 방사선 동위 원소를 이용하는 영상법이 사용되고 있다. 인체 내부의 구조를 영상화하는데는 X-선, MRI, 초음파 등이 유리하지만, 이러한 방법들은 나름대로의 장단점을 가지고 있으며, 특히 인체 조직의 전기적인 특성을 영상화하지는 못한다.

인체 조직의 전기적인 특성을 나타내는 생체 임피던스 또는 저항율을 영상으로 복원하는 전기 임피던스 단층 촬영 기술(EIT: Electrical Impedance Tomography) 기술은 1980년대 초부터 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 아직까지 여러 기술적인 문제점들을 해결하지 못하고 있어서 임상적인 응용이 어려운 상태이다.

상기 EIT 기술은 인체의 외부에 표면 전극을 부착하고 이를 통하여 전류를 주입하거나 전압을 인가한 뒤, 전압 또는 전류를 측정하여 인체 내부의 전기 임피던스 또는 저항율 분포를 컴퓨터 화면에 영상화하는 기술이다. 이러한 영상화가 가능한 이유는 혈액, 뼈, 근육, 허파, 심장 등 인체의 장기들을 구성하는 생체 조직들은 서로 다른 전기적 특성을 가지고 있기 때문이다. 그러나, 지난 20여년 동안 EIT 영상에 관한 수많은 연구가 이루어져 왔음에도 불구하고, 인체 단면의 저항율의 영상 복원 기술은 아직 임상적인 이용이 어려운 초보적인 연구 단계에 머물고 있다. EIT의 실용화를 어렵게 하는 가장 중요한 이유는 측정된 전압-전류 데이터는인체 표면 근처에서의 저항율 분포에 민감히 의존하는 반면, 내부 깊숙한 곳의 저항율 변화에 대해선 매우 둔감하고 또한 내부 저항율의 분포에 의해 복잡하게 비선형적으로 중첩되어 얻어지기 때문이다.

본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존의 의료 장비로는 측정할 수 없는 인체 내부의 전기 임피던스 또는 저항율 영상을 고해상도로 복원할 수 있는 인체내의 임피던스를 영상화하는 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 EIT의의 기술적인 한계를 극복하고, 고해상도로 저항율 영상을 복원할 수 있는 새로운 기술인 자기 공명 임피던스 단층 촬영법(MREIT: Magnetic Resonance Electrical Impedance Tomography)에서 사용될 수 있는 인체내의 임피던스를 영상화하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에서는 기존의 MRI 장비에 상기 기존의 EIT를 접목한다. 또한, 상기 MREIT에서 사용될 전극 부착 방법 및 상기 저항율의 영상 복원 알고리즘을 사용한다. 즉, 임피던스 측정법의 내부 구조에 둔감한 한계성을 극복하기 위하여 자기 공명 영상(MRI: Magnetic Resonance Imaging)에 의한 내부 전류 밀도 측정 방법을 이용하는 것에 의해 고해상도의 인체 내부 저항율 영상을 복원 할 수 있는 영상 복원 알고리즘을 제안한다.

본 발명의 일 형태에 따른 장치는 인체의 표면에 부착되고 상기 인체내에 적어도 하나의 방향으로 전류를 인가하고 또한 상기 인체로부터 적어도 하나의 전류값을 검출하기 위한 적어도 하나의 전극 쌍, 상기 적어도 하나의 전극 쌍으로부터 검출된 전류 값을 토대로 상기 인체내의 적어도 하나의 전류 밀도 데이터를 구하는 MRI 장치, 상기 적어도 하나의 전류 밀도 데이터를 이용하여 그에 상응하는 저항율 분포 데이터를 구하는 저항율 영상 장치, 그리고 상기 적어도 하나의 저항율 분포 및 전류 밀도 데이터를 디스플레이하는 디스플레이 장치를 포함한다.

특히 상기한 저항율 영상장치는, 임의의 초기치로써 하나의 인체 단면 모델의 저항율 분포를 미리 설정해 두고,는 저항률을 영상화 하려는 인체의 단면,는 단면()의 경계선, J는 MRI에 의해 측정된 인체 내부의 전류 밀도 분포, V는 인체 내부의 전압 분포, I는 상기 적어도 하나의 전극 쌍을 이용하여 외부에서 주입된 전류, V_m은 모델의 현재 상태의 저항율 분포에 대한 모델의 전압 분포, 그리고는 인체 내부의 저항율 분포이라고 할 때, 아래의 알고리즘들,및을 수행하여 상기 전압분포(V_m)를 산출하는 수단과, 상기 저항율 분포()를 수정하기 위하여 아래의 알고리즘,을 적어도 일회 수행하는 수단을 포함한다.본 발명의 다른 형태에 따른 방법은 인체 표면에 부착되기 위한 적어도 한 쌍의 전극을 이용하여 인체에 적어도 하나의 방향으로 전류를 주입하고 MRI 장치를 이용하여 상기 인체 내부의 적어도 하나의 전류 밀도를 측정하는 스텝을 구비한다. 이어서, 상기 적어도 하나의 전류 밀도를 이용하여 소정의 알고리즘을 수행하는 것에 의해 상기 인체 내부의 적어도 하나의 저항율 분포를 구하는 스텝을 포함한다. 그리고 나서, 상기 얻어진 적어도 하나의 저항율 분포를 디스플레이 장치 상에 디스플레이 하는 스텝을 포함한다.특히 상기에서 적어도 하나의 전류 밀도를 이용하여 적어도 하나의 저항률 분포를 구하는 스텝이, (a) 하나의 인체 단면 모델의 저항율 분포를 임의의 초기치로 설정하는 스텝과 (b)는 저항률을 영상화 하려는 인체의 단면,는 단면()의 경계선, J는 MRI에 의해 측정된 인체 내부의 전류 밀도 분포, V는 인체 내부의 전압 분포, I는 상기 적어도 하나의 전극을 이용하여 외부에서 주입된 전류, V_m은 모델의 현재 상태의 저항율 분포에 대한 모델의 전압 분포, 그리고는 인체 내부의 저항율 분포이라고 할 때, 아래의 알고리즘들,및을 수행하여 상기 전압분포(V_m)을 얻는 스텝, 그리고 (c) 상기 저항율 분포()를 수정하기 위하여 아래의 알고리즘,을 적어도 일회 수행하는 스텝을 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 인체내의 임피던스를 영상화하는 장치의 구성을 보여주는 블록 다이어그램,

도 2는 영상 복원 알고리즘의 성능 평가를 위한 목표 저항율의 영상을 보여주는 다이어그램,

도 3은 본 발명의 방법 및 장치에 따른 영상 복원 알고리즘을 이용하여 복원된 저항율의 영상을 보여주는 다이어그램,

도 4는 한 쌍의 전극을 이용하여 전류를 한 방향으로 주입하였을 때의 내부 전류 밀도 분포를 보여주는 다이어그램, 그리고

도 5는 다른 한 쌍의 전극을 이용하여 전류를 한 방향으로 주입하였을 때의 내부 전류 밀도 분포를 보여주는 다이어그램이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b : 전극 10 : MRI

20 : 저항율 영상 장치 30 : 모니터

도 1은 본 발명에 따른 인체내의 임피던스를 영상화하는 장치의 구성을 보여주는 블록 다이어그램이다. 도 1에 의하면, 상기 장치는 인체의 표면에 부착되고 상기 인체내에 세 방향으로 전류를 인가하고 또한 상기 인체로부터 세 종류의 전류 값을 검출하기 위한 3 쌍의 전극들(1a,1b; 2a,2b; 3a,3b)을 포함한다. 또한, 상기 3 쌍의 전극들(1a,1b; 2a,2b; 3a,3b)로부터 검출된 전류 값들을 토대로 상기 인체내의 3종류의 전류 밀도 데이터를 구하는 MRI 장치(10)가 구비된다. 상기 3종류의 전류 밀도 데이터를 이용하여 그에 상응하는 저항율 분포 데이터를 구하는 저항율영상장치(20)와 상기 3종류의 저항율 분포 및 전류 밀도 데이터를 디스플레이하는 모니터(30)가 구비된다.

여기서, 본 실시예에서는 3쌍의 전극들(1a,1b; 2a,2b; 3a,3b)이 사용되었으나 의료 영상 장치의 정밀도에 따라 그 이하의 전극쌍이나 그 이상의 전극쌍이 사용될 수도 있다.

이하에서 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 방법 및 장치를 상세히 설명하기로 한다.

인체 내부에 전극을 부착하여 전류를 주입하면서 상기 MRI(10)을 이용하여 영상을 취하면, 인체 내부의 전류 밀도 분포를 측정 할 수 있다. 이는 주입 전류에 의해 유기되는 자장이 상기 MRI(10)의 영상의 위상을 변화시키기 때문이다. 이러한 내부의 전류 밀도 분포는 상기 전극들의 위치 및 크기, 인체의 구조적인 형태, 인체 조직의 저항율 분포 등에 따라 변한다. 따라서, 인체 조직의 전류 밀도 분포를 안다고 하여도 이를 이용하여 저항율 영상을 복원하는 것은 매우 어렵다.

따라서, 본 발명은 이하에서 설명될 알고리즘을 이용한다. 이 알고리즘에 의해 인체 내부의 전류 밀도 분포로부터 고해상도의 저항율 영상을 복원할 수 있게 된다.

먼저, 고해상도의 저항율의 영상 복원을 의한 충분한 데이터를 수집하기 위해서는 도 1의 3쌍의 전극들(1a,1b; 2a,2b; 3a,3b)을 사용하여 서로 다른 3 방향으로 전류를 주입한다. 이는 인체 내부에 존재할 수 있는 저항율이 다른 생체 조직들의 경계를 구분하기 위함이다.

상기 저항율 분포의 영상을 복원하는 알고리즘의 설명을 위해서 먼저 다음의 기호들을 설정한다.

는 저항률을 영상화하려는 인체의 단면,

는 단면의 경계선,

J는 MRI에 의해 측정된 인체 내부의 전류 밀도 분포,

V는 인체 내부의 전압 분포,

I는 상기 적어도 하나의 전극을 이용하여 외부에서 주입된 전류,

V_m은 모델의 현재 상태의 저항율 분포에 대하여 모델의 전압 분포, 그리고

는 인체 내부의 저항율 분포이다.

저항율()이로 표현된다는 사실을 이용하면, 주입된 전류(I)와 인체 내부에서의 전압 분포(V) 및 저항율 분포()의 사이의 관계는 비선형 편미분 방정식인 다음의 수학식 1 및 수학식 2로 표현할 수 있다.

여기서, N은 경계선()에서의 법선 벡터를 지시한다.

상기 수학식 1 및 수학식 2에서,는 아래의 수학식 3으로 나타낼 수 있다.

그리고 기호()가 의미하는 바는 디버젼스(divergence)로서 이는 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

위 수학식 4로부터 아래의 수학식 5를 유도할 수 있다.

그리고, N은 (N₁, N₂)인 벡터를 의미하고은 아래의 수학식 6으로 나타낼 수 있다.

상기 수학식 6은 물리적으로 인체 표면에서 수직으로 전류를 주입하는 것을 의미한다.

본 발명에서는 상기 전류 밀도 분포(J)를 효율적으로 이용하기 위해서, 우선저항률을 영상화하려는 인체의 단면()과 상기 단면()의 경계선()을 포함하는 인체 단면의 모델을 설정한다. 상기 모델의 저항율 분포는 임의의 초기치로 설정한다. 이 초기치는 균질의 저항율 분포()일 수도 있고, 인체의 조직별로 알려져 있는 대표적인 저항율 값일 수도 있다. 상기 인체에 주입한 것과 동일한 주입 전류(I)를 주입하면, 상기 모델의 현재 상태의 저항율 분포()에 대하여 상기 모델의 전압 분포(V_m)를 계산할 수 있다. 여기서는 유한 요소 방법(FEM: Finite Element Method) 또는 유한 미분 방법(FDM: Finite Difference Method)과 같은 수치 방법이 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 주된 내용은 상기 모델에서 구한 전압 분포(V_m)와 상기 MRI(10)로 측정한 상기 전류 밀도 분포(J)에 의해 인체 내부의 상기 저항율 분포()를 구하는 영상 복원 알고리즘에 있다. 본 발명은 상기 전류 밀도 분포(J)와 (1a,1b; 2a,2b; 3a,3b)의 조합으로부터 상기 저항율 분포()를 계산하거나 또는 점진적으로 상기 저항율 분포()의 정확도를 개선해 나가는 알고리즘을 포함한다. 상기 알고리즘은 아래의 수학식 7 및 수학식 8로 나타낼 수 있다. 상기 수학식 7 및 수학식 8에서은의 벡터값을 나타낸다.

도 2는 복원을 하고자 하는 목표 영상으로 서로 다른 저항율 분포를 갖는 인체 단면이다. 도 3은 본 발명의 방법 및 장치에 따른 영상 복원 알고리즘을 이용하여 복원된 저항율의 영상을 보여주는 다이어그램이고, 도 4는 한 쌍의 전극을 이용하여 전류를 한 방향으로 주입하였을 때의 내부 전류 밀도 분포를 보여주는 다이어그램이다. 한편, 도 5는 다른 한 쌍의 전극을 이용하여 전류를 한 방향으로 주입 하였을 때의 내부 전류 밀도 분포를 보여주는 다이어그램이다.

도 3은 도 4와 도 5의 내부 전류 밀도 데이터를 이용하여 복원한 저항율()의 영상으로 고해상도를 가지고 상기 저항율()의 영상 복원이 가능함을 보여준다. 도 4와 도 5에 따른 전류 밀도 분포(J)는 도 1의 3쌍의 전극들 중에서, 서로 다른 한 쌍의 전극들을 이용하여 전류(I)를 주입하는 경우에 해당하며 3%의 측정 오차를 갖는다.

전술한 바와 같이, 상기 내부 저항율 분포()의 특성상 도 1의 전극들 중 한 쌍의 전극들만을 사용하여 한 방향으로만 전류(I)를 주입하여도 되는 경우에는 상기 3쌍의 전극들(1a,1b; 2a,2b; 3a,3b) 중 어느 한 쌍의 전극들만을 사용할 수 도 있다.

한편, 상기 얻어진 각 저항율 분포()는 다음의 수학식 9에 의해 수정될 수 있다.

이와 같은 수정은 정해진 횟수만큼 할 수도 있고 또는 수정되는 저항율 변화의 크기가 일정 수준 이하가 될 때까지 할 수도 있다.

지금까지 설명된 상기 저항율 분포()를 수정하는 방법은 상기 모델의 전압 분포()와 상기 전류 밀도 데이터(J)를 이용하는 한가지 방법을 제시한 것으로, 한가지 이상의 전류 밀도 데이터(J)와 상기 모델의 전압 분포()의 조합을 이용한 방법들도 사용될 수 있다.

한편, 상기 모델의 화소의 크기는 초기에는 MRI 영상의 여러 화소를 포함하는 큰 화소로 하고, 점진적으로 상기 모델의 크기를 줄여서 최종적으로는 상기 MRI(10)을 이용한 상기 전류 밀도 영상의 화소와 동일한 크기를 갖도록 할 수도 있다.

한편, 상기 복원 영상의 저항율 값()의 정확성이 상대적으로 낮아도 되는 응용 분야의 경우에는 상기 수학식 9을 이용하여 상기 저항율()의 값을 반복적으로 개선하지 않고 상기 모델의 전압 분포()와 전류 밀도 데이터(J)에 의해 한 번에 상기 저항율 분포()를 계산할 수도 있다.

비교적 고가인 MRI 장비에 전극 및 전류 주입 장치를 추가함으로서 상기 MRI에서 얻을 수 없는 인체 내부 조직의 생체 임피던스 또는 저항율 정보를 얻을 수 있으므로 기존 MRI 장비가 새로운 기능을 가지게 된다.

본 발명에 의해 가능해진 고해상도의 저항율 영상은 기존의 의료 장비들로부터는 얻을 수 없는 새로운 정보를 제공한다. 이는 생리 작용에 따라 생체 임피던스가 변하는 장기를 대상으로 한 기능 영상(functional imaging)으로 많은 새로운 진단 기술을 발전 시킬 수 있다. 예를 들면, 호흡에 따른 폐의 용적측정, 심장에서의 심박 출량의 측정, 위장 기능의 측정, 방광 잔료량의 측정, 골절 치유 상태의 측정, 체 성분의 정확한 측정, 그리고 뇌 기능의 측정 등이 있다.

또한, 인체 조직의 전기적인 특성을 정량적으로 알게 됨으로써, 각종 전자기 신경 및 근육 자극기(electric/magnetic stimulator),세동 제거기(defibrillator), 심박 조율기(cardiac pacemaker), 고주파기(RF ablation) 등 전자기 에너지를 이용한 진단 및 치료의 최적화에 응용이 가능하다. 보다 일반적으로는 인체 내부에서의 전자기 현상을 정량적으로 해석하는데 필요한 기초 자료를 제공할 수 있다.

한의학 분야에서는 경혈이 저 저항점이라는 많은 연구 결과들이 있으며, 피부를 포함하는 인체 조직의 전기적인 특성 변화를 통하여 경락 현상을 설명하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 생체 조직의 전기적 특성 변화를 가설로 하는 경락 현상의 연구에 고해상도의 저항율 영상은 탁월한 연구 방법이 될 것이다. 침 자극에 따른 생체 조직의 저항율 영상의 변화를 통하여 경락의 가시화가 가능하다면 이는 한의학의 과학화에 크게 기여 할 수 있다.

의학적인 응용뿐만 아니라 다른 산업 분야에서의 응용도 가능하다. 일반적으로 복합 물질을 포함하고 있는 물체에서 각 물질의 전기적인 특성의 차이와 변화를 통하여 물체 내부의 현상을 비파괴적으로 해석하고자 하는 경우에 응용될 수 있다. 예로서, 유체가 흐르는 관 내부의 기포 분석의 해석에 응용될 수 있다.

Claims (7)

1. 인체 표면에 부착되기 위한 적어도 한 쌍의 전극을 이용하여 인체에 적어도 하나의 방향으로 전류를 주입하고 상기 인체 내부의 적어도 하나의 전류 밀도를 측정하는 스텝;

   (a) 하나의 인체 단면 모델의 저항율 분포를 임의의 초기치로 설정하는 스텝,

   (b)는 저항률을 영상화 하려는 인체의 단면,는 단면()의 경계선, J는 MRI에 의해 측정된 인체 내부의 전류 밀도 분포, V는 인체 내부의 전압 분포, I는 상기 적어도 하나의 전극을 이용하여 외부에서 주입된 전류, V_m은 모델의 현재 상태의 저항율 분포에 대한 모델의 전압 분포, 그리고는 인체 내부의 저항율 분포이라고 할 때, 아래의 알고리즘들,

   및

   을 수행하여 상기 전압분포(V_m)을 얻는 스텝, 그리고

   (c) 상기 저항율 분포()를 수정하기 위하여 아래의 알고리즘,

   을 적어도 일회 수행하는 스텝을 포함하여,

   상기 적어도 하나의 전류 밀도를 이용하여 상기 인체 내부의 적어도 하나의 저항율 분포를 구하는 스텝;

   상기 얻어진 적어도 하나의 저항율 분포를 디스플레이 장치 상에 디스플레이 하는 스텝을 구비함을 특징으로 하는 인체내의 임피던스를 영상화 하는 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 임의의 초기치는 가정된 균질의 저항율 분포와 인체의 조직에 따라 알려져 있는 대표적인 저항율 값 중 어느 하나임을 특징으로 하는 인체내의 임피던스를 영상화하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 저항율 분포를 수정하는 횟수는 미리 설정되는 횟수인 것을 특징으로 하는 인체내의 임피던스를 영상화하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 저항율 분포를 수정하는 횟수는 상기 수정되는 저항율의 변화의 크기가 일정 수준 이하가 될 때 까지 인 것을 특징으로 하는 인체내의 임피던스를 영상화하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 인체 내부의 전류 밀도는 MRI에 의해 얻어지고 상기 얻어진 전류 밀도는 상기 저항율 분포와 함께 상기 모니터에 디스플레이되는 것을특징으로 하는 인체내의 임피던스를 영상화하는 방법.
7. 인체의 표면에 부착되고 상기 인체내에 적어도 하나의 방향으로 전류를 인가하고 또한 상기 인체로부터 적어도 하나의 전류 값을 검출하기 위한 적어도 하나의 전극 쌍;

   상기 적어도 하나의 전극 쌍으로부터 검출된 전류 값을 토대로 상기 인체내의 적어도 하나의 전류 밀도 데이터를 구하는 MRI 장치;

   (a) 임의의 초기치로써 하나의 인체 단면 모델의 저항율 분포를 미리 설정해 두고,는 저항률을 영상화 하려는 인체의 단면,는 단면()의 경계선, J는 MRI에 의해 측정된 인체 내부의 전류 밀도 분포, V는 인체 내부의 전압 분포, I는 상기 적어도 하나의 전극 쌍을 이용하여 외부에서 주입된 전류, V_m은 모델의 현재 상태의 저항율 분포에 대한 모델의 전압 분포, 그리고는 인체 내부의 저항율 분포이라고 할 때, 아래의 알고리즘들,

   및

   을 수행하여 상기 전압분포(V_m)를 산출하는 수단과,

   (b) 상기 저항율 분포()를 수정하기 위하여 아래의 알고리즘,

   을 적어도 일회 수행하는 수단을 포함하며,

   상기 적어도 하나의 전류 밀도 데이터를 이용하여 그에 상응하는 저항율 분포 데이터를 구하는 저항율 영상 장치; 그리고

   상기 적어도 하나의 저항율 분포 및 전류 밀도 데이터를 디스플레이하는 디스플레이 장치로 구성됨을 특징으로 하는 인체내의 임피던스를 영상화하는 장치.