KR100420582B1 - 뼈미네랄측정장치및방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신체 일부의 한측에서 투사되고 그 반대측에서 탐지되는 신체 일부의 골격에서 뼈 미네랄 측정을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 뼈 미네랄 측정방법은, 두 개의 에너지 레벨에서 발생하는 X선을 투사하는 단계 ; 탐지된 상기 투사선이 분석되는 단계 ; 신체 일부의 두께가 결정되는 단계 ; 투사선의 분석시 상기 신체 일부의 두께를 이용하는 단계 ; 및 알려진 조성물을 갖는 기준 대상물을 측정함으로써 측정과정을 캘리브레이팅하는 단계로 구성된다. 본 발명에 따른 뼈 미네랄 측정장치는 케이싱의 한측에 위치되고 두 개의 에너지 레벨에서 X선을 발생하는 X선 발생 수단과 ; 상기 X선 발생수단으로부터 X선을 탐지하기 위해 상기 케이싱의 반대측에 위치하는 투사탐지기 매트릭스 ; 상기 투사 탐지기 매트릭스에 연결되어 그에 저장된 신호를 분석하기 위한 이미지 및 신호 처리장치 ; 및, 상기 이미지 및 신호 처리장치와 결합하는 거리 측정장치로 구성된다.
Description
도 1은 본 발명에 따른 뼈 미네랄 측정장치의 주요 구성의 개략도,
도 2는 본 발명에 의한 상부 케이싱을 제거한 측정장치의 사시도,
도 3은 도 2의 차폐물을 제거한 측정장치의 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 뼈 미네랄 측정을 위한 응용예를 나타내는 도면이다.
[발명의목적]
[발명이속하는기술분야및그분야의종래기술]
본 발명은 신체 일부의 한측에서 투사되고 그 반대측에서 탐지되는 신체 일부의 골격에서 뼈 미네랄 측정을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
골다공증은 선진국이나 개도국을 포함하여 세계적으로 급속히 증가되고 있는 질병이다. 이 골다공증은 일반적으로 나이든 여성들에게서 발병하나 최근에는 남녀를 불문하고 젊은 사람들에게서도 발병하고 있다.
상기 질병으로부터의 위험을 줄이기 위해, 나이든 여성들이골격에서 석회질이 감소되는 것을 막아주는 특별한 약품이 제공되는 것이 보통이다. 현재 이러한 약제의 복용을 기존의 방법 및 장비들로 약물치료가 필요한지 평가한다는 것은 어렵고 비용이 많이 든다는 문제가 있다. 결국 실제로는 골다공증을 앓고 있지 않는사람들에게 많은 양의 약이 처방되고 반면에 실제로는 골다공증을 앓고 있는 사람들에게는 그들이 요구하는 도움을 주지 못하고 있다. 이는 사회적으로 불필요하게 병을 앓는자와 불필요한 비용을 초래한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 신뢰성 있게 골다공증을 진단할 수 있는 방안이 필요하다.
어떠한 사람이 골다공증을 앓고 있는지의 여부를 판단하는 최선의 방법은 신체의 어떤 적절한 뼈에서의 뼈 미네랄을 판단하는 것이다. 이러한 목적으로 많은 수의 다른 여러 장치가 개발되어 왔다.
WO-A-86/07351은 뒤꿈치뼈에서의 뼈 미네랄을 측정하는 장치를 개시한다. 이 측정장치는 케이싱을 갖고 그 한쪽으로는 감마 또는 X선 소스가 있고 X선 소스의 반대측에는 투사탐지 장치가 위치한다. 상기 탐지장치는 어떤 유형의 제어장치, 예를 들면 얻어진 결과를 분석하는 컴퓨터에 연결된다. 상기 장치가 상대적으로 만족스러운 정도의 기능을 하기 위해서는, 케이싱내부에서 물에 담겨질 발을 둘러싸는 공간이 필요하다. 그러나, 이럼에도 불구하고 상기 장치에 의해 제공되는 결과는 불만족스럽다.
US-A-5348009는 뼈 미네랄 측정을 위해 상기와 유사한 장치를 개시하고, 장치안에는 투사원(radiation source)이 발을 수용하는 케이싱의 한측면에 위치하고 그 반대면에는 신호처리장치에 연결된 탐지기가 위치한다. 게다가, 뼈의 두께를 측정하기 위하여 측정될 목적물 주위로 케이싱 내의 각 측면에서 거리측정을 위한 기구들이 위치한다. 이들 기구들은 또한 신호처리장치에 연결되고, 투사 탐지기로부터 받은 신호들 및 두께 측정치의 조합에 의하여 단위체적당 미네랄이 판정될 수있다.
EP-A-0432730은 뼈 미네랄 측정을 위한 추가적인 측정장치를 개시한다. 이 장치는 X선 검출수단과 함께 케이싱, 케이싱의 한측면에서 X선을 발생하기 위해 케이싱의 한측면에 위치한 장치로 구성된다. 상기 장치는 또한 X선 장치의 전면에 위치하여 X선 스펙트럼을 한정짓도록 변화하는 필터를 포함하며, 이에 의해 X선 신호는 두 개의 다른 에너지 레벨로 분할된다. 이 방법의 단점은 오직 X선 신호의 두 개의 다른 레벨로부터 얻어진 측정치에 근거하여 뼈 미네랄을 판단하여 뒤꿈치의 모든 성분을 분리하는 것이 불가능하다는 것이며 상기 방법은 신뢰할만한 결과를 제공하지 못한다.
마지막으로, EP-A-0549858은 뼈 미네랄 측정을 수행하기 위한 장치를 개시하며, 여기서는 신체 대상물에서 주어진 물질의 양을 판단하기 위해 두 개의 에너지 레벨 또는 에너지 밴드를 갖는 X선 소스가 사용된다. 뼈 미네랄의 탐지는 상기 발명이 결과에 바람직하지 않은 요소들을 제거하는 것에 의한 특별한 계산방법을 사용한다는 사실의 결과로서 얻어진다. 그러나, 이 방법도 높은 신뢰도의 결과를 제공하지 못하며 중증 환자도 건강한 것으로 진단될 수 있다.
US-A-5348009 및 GE-1546926도 또한 이 분야의 선행기술과 관련된다.
[발명이이루고자하는기술적과제]
본 발명은 상기와 같은 X선 타입의 뼈 미네랄 측정장치와 관련된 문제점을 극복하고 간단하고 믿을만한 방법에 의해 골격의 뼈 미네랄 측정을 위한 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 두 개의 에너지 레벨에서 발생하는 X선을 투사하는 단계 ; 탐지된 상기 투사선이 분석되는 단계 ; 상기 신체 일부의 두께가 결정되는 단계 ; 투사선의 분석시 상기 신체 일부의 두께를 이용하는 단계 ; 및 알려진 조성물을 갖는 기준 대상물을 측정함으로써 측정과정을 캘리브레이팅하는 단계로 구성된다.
본 발명의 특징에 따르면, 신체 일부의 두께는 X선 소스와 신체 일부 사이 및 신체 일부와 탐지기 매트릭스의 거리를 측정하고, 이들 거리와 투사원 및 매트릭스 사이의 거리를 비교하므로써 결정된다.
본 발명에 따른 뼈 미네랄 측정장치는 신체 일부를 수용하게 구조된 케이싱의 한측에 위치되고 두 개의 에너지 레벨에서 X선을 발생하며 상기 신체 일부쪽으로 투사하는 X선 발생 수단과 ; 상기 X선 발생 수단으로부터 X선을 탐지하기 위해 상기 케이싱의 반대측에 위치하는 복수 개의 요소들로 구성되는 투사탐지기 매트릭스 ; 상기 투사 탐지기 매트릭스에서 저장된 신호를 분석하기 위하여 상기 투사 탐지기 매트릭스에 연결된 이미지 및 신호 처리장치 ; 및,
상기 신체 일부의 양쪽 측면에서 케이싱 내부에 위치하고 상기 이미지 및 신호 처리장치와 결합하는 거리 측정장치로 구성되고,
상기 이미지 및 신호 처리장치가 한편으로 신체 일부에 대한 측정치에 관해서, 다른 한편으로는 알려진 조성물의 기준 대상물에 대한 측정치에 관해서 상기 거리 측정장치로부터 얻어진 신호 및 상기 투사 탐지기 매트릭스에 저장된 신호의 조합에 의해서 신체의 골격에서의 뼈 미네랄이 판단될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
[발명의구성]
본 발명에 따른 장치는 실질적으로 측정장치(1)와 이미지 및 신호 처리장치(7)로 구성된다. 측정장치(1)는 신체 일부의 형상에 제공되며 한측면(2a)에는 두 개의 에너지 레벨에서 투사하기 위한 투사원(3)이 있고 다른 한측면(2b)에는 투사원(3)에서 발산하는 투사선을 탐지하기 위한 탐지기 매트릭스(4)가 위치하는 케이싱(2)에 의해 형성된다.
투사원(3)은 바람직하게는 광양자를 두 개의 분리된 에너지 레벨에서, 예를 들면 30kV, 70kV에서 방출할 수 있는 X선 튜브에 의해 형성된다. 이들 에너지 레벨들은 측정될 대상물(6)의 뼈 미네랄을 판단하는 데 사용되므로 에너지 레벨들이 분명히 분리되고 정의되는 것이 중요하다. 예를 들면, 상기 에너지 레벨들은 에너지 레벨들 사이에서 변하는 제너레이터로 X선을 구동하므로써 만들 수 있다. 두 개의 에너지 레벨에서 X선을 만드는 다른 방법은 한 개의 에너지 레벨에서 X선 소스로부터 얻어지는 투사선을 필터링하는 것이다.
투사선을 검출하기 위한 투사탐지기 매트릭스(4)는 투사원(3)에 대해 상대적으로 반대측에 위치한다. 투사탐지기 매트릭스(4)는 매트릭스 형태로 정렬되고 주어진 순간 또는 주어진 시간내에 각 점에서 충돌하는 투사선을 탐지하고 양적화할 수 있는 다수의 요소들로 이루어진다.
X선 튜브(3) 및 투사탐지기 매트릭스(4)는 고정되거나 측정 대상물(6) 위로 선형운동을 할 수 있다. 두 경우에 있어서 콜리메이터가 X선 튜브(3)에 연결되고, X선의 발산(divergence)이 투사탐지기 매트릭스(4)의 시계영역을 커버하기 위해 제한될 수 있다.
X선 튜브(3)가 고정되어 있을 경우, 특별히 배열된 콜리메이터가 투사탐지기 매트릭스(4) 앞에 장착된다. 상기 콜리메이터는 그 뒤에 있는 투사탐지기 매트릭스(4)에서의 각각의 요소의 수와 동일한 수의 구멍에 의해 관통되도록 구축된다. 구멍의 방향은 투사원의 초점으로붜 발산하도록 하여 각각의 구멍이 투사탐지기 매트릭스(4)의 각점을 향하여 방향을 갖도록 한다. 콜리메이터의 목적은 구멍을 통과하는 빔들이 평행하도록 하고 투사탐지기 매트릭스상의 각각의 점을 향해 투사선을 전달하기 위해, 간섭을 일으킬 수도 있는 흩어진 부차적인 투사선을 여과하기 위한 것이다. 콜리메이터는 뒤에 존재하는 투사탐지기 매트릭스(4)에 의해 구멍을 통과한 빔만이 검출될 수 있도록 고감쇠(high attenuation)를 갖는 물질로 만들어질 수 있다.
또다른 실시예에서, X선 튜브(3)는 측정 대상물(6)상에서 선형운동을 수행할 수 있게 만들어지고 기계적 아암(arm) 위에 장착된다. 이 아암은 측정에 필수적인 측정대상물의 단면이 스캔되도록 측정대상물과 관련하여 움직인다. 만일 탐지기가 X선 튜브(3)와 함께 움직이도록 구성되면, 투사탐지기 매트릭스(4)는 단일의 탐지기로 구성될 수 있다.
도 2에 보인 실시예에서 뼈 미네랄의 측정은 뒤꿈치뼈 내부에서 행해진다. X선 튜브(3)는 약 10.0×15.0cm의 영역 즉, 뒤꿈치뼈의 총크기와 동일한 영역을 스캔하도록 위치된다. 측정될 발이 케이싱(2) 내부에 놓여지면, X선 튜브(3)는 발의 한측면 또는 뒤꿈치 부분의 영역을 향하게 된다. X선 튜브(3)가 스캔하는 영역의크기는 명백히 측정 대상물(6)의 크기에 의존한다.
측정장치는 추가적으로 투사탐지기 매트릭스(4)로의 투사선을 양적화하기 위해 컴퓨터/증폭기(4a)를 포함한다. 컴퓨터(4a)는 투사탐지 매트릭스(4)상의 어떤 점에서 투사선이 충돌하고 투사선에서의 광양자 레벨을 식별할 수 있도록 마련된다. 생성된 두 개의 전압의 에너지 레벨 특성에서 두 개의 "측정창(measuring windows)"이 사용되기 때문에, 더욱 신뢰할만한 결과가 얻어진다.
참조부호 6을 갖는 단위는, 뒤꿈치뼈나 팔뚝같은 측정될 대상물을 상징한다. 도 2에서 보인 뼈 미네랄 측정장치의 실시예에서, 상기 장치는 발의 뒤꿈치를 측정하기 위한 것이다.
물, 지방 및 뼈 미네랄 등의 뒤꿈치의 주요한 성분들을 명백히 판단하기 위하여 제 3의 변수가 요구된다. 이는 거리 측정장치(5)가 측정대상물(6)의 양측에 구비되고 X선이 투사된 대상물(6)의 각 측면으로부터의 거리가 이들 거리 측정장치(5)에 의해 구해질 수 있는 것에 의해 얻어질 수 있다. 그러므로 대상물의 두께가 계산될 수 있다. 상기 측정장치(5)는 바람직하기로는 레이저 측정링에 의해 만들어진다. 케이싱 내부의 발의 위치가 신뢰하지 못할 측정결과를 가져오지 않도록 하기 위해, 거리 측정장치(5)는 발의 양측에 구비된다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는 상기에서 기술한 X선 투사 및 대상물의 두께측정에 의해 서로 다른 세가지 측정치들이 제공될 수 있으며 그에 의해서 신체 일부에서의 뼈 미네랄의 비율이 구해질 수 있다는 사실에 기초한다.
측정될 대상물 또는 신체일부는 실질적으로 세가지 성분으로 구성된다: 뼈미네랄(Ca10(PO4)6(OH)2의 형태), 지방 및 물. 다음에서 이들 성분들을 나타내는 변수들을 b, f 및 s로 표기한다.
측정대상물이 두 개의 에너지 레벨에서 X선에 의해 투사되면 다음의 방정식이 얻어진다.
저전압 에너지 레벨(예를들면 35kV)에서 X선 투사는 첨자 1을 고전압 에너지 레벨(예를들면 70kV)에서 X선 투사는 첨자 2를 사용한다. Ni는 에너지 레벨 i에서 대상물을 통과하는 중의 측정된 계산속도이다 ; N0i는 에너지 레벨 i에서 대상물 밖에서의 측정된 계산속도이다 ;
는 각각의 성분의 질량 감쇠 계수(cm2/g)이다 : tx는 각 성분의 두께(cm),
x는 각 성분의 밀도를 나타낸다.
대상물의 전체 두께는 대상물 양측면에서의 거리 측정장치에 의해 결정된다.
상기에서 T는 대상물의 전체 두께, tb, ts, tf는 각 성분의 두께를 나타낸다.
방정식 (i) 및 (ii)로부터 두께를 게산하기 위해서는, 대상물 밖에서의 계산속도 N01, N02가 결정되어야 한다. 이는 장치에 알려지 조성물을 갖는 대상물을 놓으므로써 달성된다. N01, N02는 다음과 같다.
상기에서 N1F및 N2F는 알려진 조성물을 갖는 대상물을 통과한 후의 투사선에서 저에너지 레벨 및 고에너지 레벨의 측정된 계산속도이다.
질량 감쇠 계수, 밀도 및 두께(tbk, tsk)는 알려진 양이다. 그러므로 개개의 성분들 두께들은 탐지기 매트릭스 각각의 요소들의 방정식들로부터 계산될 수 있다. 이들 요소들의 각각의 결과들로부터 측정 대상물의 뼈 미네랄의 표현이 얻어질 수 있다.
탐지기 매트릭스(4) , 거리 측정장치(5), 이미지 및 신호 처리장치(7)에서 얻어진 결과들을 평가하기 위해 바람직하게는 개인용 컴퓨터가 사용된다.
두 개의 광양자 에너지 레벨에서 투사선의 측정값들은 결과를 평가하기 위한 필수적인 알고리즘을 계산하기 위해 사용된다. 바람직하기로는 상기 컴퓨터는 많은 수의 다른 견본들로부터 측정된 값으로부터 계산된 표준치를 담고 있는 데이타베이스에 또한 액세스할 수 있다. 측정장치에 의해 측정된 값들은 골격에서 석회질의 감소가 존재하는지를 판단하기 위해 데이타베이스에 저장된 값과 비교된다.
컴퓨터는 대상물에 적합한 소프트웨어를 갖추고, 탐지기 매트릭스 및 거리 측정장치로부터의 정보의 조합에 의해 지방, 물, 뼈 미네랄같은 발의 모든 성분들을 매우 높은 정확도를 가지고 판단할 수 있다.
운용자가 다양하고 가능한 동작들을 제어할 수 있도록 컴퓨터와 통신할 수 있는 키보드가 사용된다.
측정대상물의 이미지가 나타날 수 있는 스크린이 결과를 나타내기 위해 바람직하게 사용된다. 얻어진 결과를 출력하기 위해 프린터가 사용될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 가장 바람직한 실시예를 나타낸 것이며, 이는 뒤꿈치뼈를 위해 적용된 장치이다. 이러한 응용을 위해 상기 측정장치는 다른 환경에서 다른 환자들을 측정하기 위해 쉽게 이동할 수 있도록 상대적으로 작고 단순하게 구조된다.
본 발명은 도 2내지 도 4에 국한되는 것은 아니다. 본 발명의 원리는 측정될 수 있을 정도로 충분한 크기를 갖고 신체의 어느 부분에서나 찾을 수 있는 뼈에 적용될 수 있다. 본 발명은 다음의 청구범위에 한정되는 것은 아니며 당업자라면 본 발명의 사상과 범위안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며 이러한 수정, 변경 등은 이하의 특허 청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
Claims (2)
- X선 투사원으로부터 2개의 에너지 레벨에서 발생하는 X선을 신체 일부의 한측에 투사하는 단계;상기 신체 일부를 통과하는 X선을 상기 신체 일부의 반대측에 매트릭스 형태로 배열된 복수개의 요소로 이루어진 탐지기 매트릭스로 탐지하는 단계;상기 2개의 에너지 레벨에서 탐지된 X선을 표시하는 2개의 측정신호을 상기 매트릭스에 연결된 이미지 및 신호 처리장치에 보내어 탐지기 매트릭스에 기록된 신호를 분석하는 단계;상기 X선 투사원과 상기 신체 일부 사이의 거리 및 상기 신체 일부와 탐지기 매트릭스 사이의 거리를 측정하고, 이 두 개의 거리 측정값을 상기 X선 투사원과 상기 탐지기 매트릭스 사이의 거리와 비교하여 상기 신체 일부의 두께를 결정하는 단계;상기 신체 일부의 두께 결정값을 표시하는 측정신호를 상기 이미지 및 신호처리장치에 보내어 상기 2개의 X선 측정신호와 조합하여 상기 신체 일부의 주요 구성요소, 물, 지방, 뼈미네랄 함량을 측정하고 이에 따라 상기 신체의 골격 내의 뼈미네랄 함량을 표시하는 단계; 및알려진 조성을 가진 기준 대상물에 대해 상기 두 개의 에너지 레벨에서 발생하는 X선을 투사하여 X선 강도 기준치를 결정하고 이를 상기 측정과정의 캘리브레이션(calibration)에 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신체 골격의뼈미네랄 함량을 측정하는 방법.
- 신체의 일부를 수용하는 구조로 된 케이싱의 한 측에 위치되고 두 개의 에너지 레벨에서 X선을 발생하며 상기 신체의 일부 쪽으로 투사하는 X선 발생 수단과;상기 X선 발생 수단으로부터 X선을 탐지하기 위해 상기 케이싱의 반대측에 위치하는 복수개의 요소들로 구성되는 투사탐지기 매트릭스;상기 투사탐지기 매트릭스에 저장된 신호를 분석하기 위하여 상기 투사탐지기 매트릭스에 연결된 이미지 및 신호 처리장치; 및상기 케이싱 내부에서 상기 신체 일부의 양쪽 측면에 각각 위치하고 상기 이미지 및 신호 처리장치와 결합되는 거리 측정장치를 포함하고,상기 이미지 및 신호 처리장치는 신체 일부에 대한 측정치와 알려진 조성으로 된 기준 대상물에 대한 측정치에 관련하여, 상기 거리 측정장치로부터 얻어진 신호 및 투사탐지기 매트릭스에 저장된 신호의 조합에 의해 뼈미네랄, 물 및 지방의 두께를 결정함으로써 신체 골격 내의 뼈미네랄 함량을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 뼈미네랄 함량 측정장치.
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