KR100575210B1 - 이방성 도전율 및 전류밀도를 영상화하는 시스템 및 방법 - Google Patents

이방성 도전율 및 전류밀도를 영상화하는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 측정대상의 도전율이 이방성(anisotropic)일때, 상기 측정대상의 이방성 도전율을 영상화하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 측정대상 내에 주입된 전류에 의해 발생되는 자속밀도의 한 방향 성분을 측정하고, 상기 측정된 자속밀도의 한 방향 성분을 이용하여 상기 측정대상 내부의 이방성 도전율의 방향 성분들을 계산한다. 그리고, 상기 계산된 이방성 도전율의 방향 성분들을 이용하여 상기 측정대상 내부를 영상화한다.
이방성 도전율, 전류밀도, MRI

Description

이방성 도전율 및 전류밀도를 영상화하는 시스템 및 방법{System and Method for visualizing anisotropic conductivity and current density}
도 1은 본 발명에 따른 도전율 및 전류밀도 영상화 시스템을 나타낸 도면
도 2는 도 1의 전류주입수단의 일 실시예를 나타낸 도면
도 3a 및 3b는 도 1의 전류주입수단의 다른 실시예를 나타낸 도면
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 전류주입수단 200 : MRI 장치
300 : 연산부 400 : 디스플레이 수단
500 : 전류원 21,31 : 전극
23,33 : 도선 25,35 : 절연용기
37 : 전해물질
본 발명은 인체나 물체 등과 같은 측정대상 내의 이방성 도전율(또는 저항률)과 전류밀도를 영상화하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 인체 또는 물체의 내부 구조를 영상화하는데는 X-선, MRI, 초음 파 등이 사용되고 있다. 그러나 이들 방법들은 인체 또는 물체의 전기적 특성을 영상화하지는 못한다.
이러한 문제를 해결하기 위한 노력으로, 1989년에는 MRI 기술을 활용하여 측정대상 내부의 전류밀도를 영상화하는 기술이 캐나다 토론토대학의 연구팀에 의해 최초로 제안되었고, 그 이후에도 관련된 연구가 활발히 진행되어 왔다. 이것이 CDI(Current Density Imaging) 기술이다. 상기 CDI 기술은 주입된 전류 I로부터 유도된 자속밀도 B를 MRI 기술을 이용하여 측정하고, 암페어법칙인
Figure 112003044538663-pat00001
로 전류밀도 J를 계산하여 내부 전류밀도를 영상화하는 기술이다.
그러나 이 CDI 기술은 3가지 성분(Bx,By,Bz)을 갖는 자속밀도 B를 얻기 위해서는 측정대상을 MRI 장비 내에서 회전시켜야 한다는 단점을 가진다. 이는 MRI 장비 내에 측정대상이 위치하고 있을 때, MRI 장비의 특성상 주자장(main magnetic field)의 방향과 일치되는 방향인 z-방향 성분의 자속밀도 즉 Bz 만이 측정 가능하기 때문이다. 즉 MRI 장비가 한 번에 측정 가능한 성분은 BZ 성분 하나이기 때문에, 기존의 CDI 기술은 세 방향성분의 자속밀도 벡터 값을 모두 획득하기 위하여 MRI 장비 내에서 측정대상(인체 또는 물체)을 회전시켜야 한다는 문제점을 가지고 있다. 상기 회전의 문제점으로 인해 기존 CDI기술을 임상에 적용하기 어렵다.
또한 인체 또는 물체의 전기적 특성을 영상화하기 위한 기존 기술로는, 1970년대 말부터 활발히 연구되어온 전기임피던스단층촬영(EIT : Electrical Impedance Tomography) 기술이 있다. 이 EIT 기술은 측정대상의 전기적 특성을 나타내는 저항 률 (또는 도전율) 영상을 제공한다.
그 EIT 기술은 주로 인체를 측정대상으로 하여, 그 인체의 표면에 여러 개의 전극을 부착하여 인체 내부의 저항률을 영상화한다. 즉 인체의 표면에 부착된 여러 전극들을 통해 전류를 인가한 후에 다시 표면에 부착된 전극을 통해 전압을 측정하여 인체 내부의 저항률을 영상화하는 기술이다. 이렇게 인체 내부를 저항률에 따라 영상화할 수 있는 것은 혈액, 뼈, 허파, 심장, 뼈 등의 인체 내부의 생체조직들이 서로 다른 전기적 특성을 가지기 때문이다.
그러나 EIT 기술이 가지고 있는 근본적인 결점 때문에, EIT 기술에 의해 복원된 영상은 부정확하고 저해상도만을 지원하였다. 즉 EIT 기술에 의해 측정된 전류-전압 데이터는 인체 내부의 저항률 변화에 지극히 둔감하다는 근본적인 결점을 갖는다. 또한, EIT를 통해서는 등방성의 도전율 또는 저항률을 얻기 때문에 인체조직의 특성에 따른 도전율의 방향 변화를 알 수 없다. 예를 들어, 근육과 같은 조직에서는 도전율의 방향이 근육의 결에 따라 변화하게 되는데, 등방성의 도전율로부터는 인체 조직에 의한 방향 변화를 알 수가 없다.
본 발명의 목적은 상기한 기존의 기술들의 단점을 보완하기 위해 안출한 것으로써, 측정대상을 회전시키기 않고도 측정대상의 전기적 특성들(도전율 및 전류밀도)을 영상화하는 데 적당한 도전율 및 전류밀도의 영상화 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 근육이 많은 부위의 전기적 특성들을 정확하게 영 상화하는 데 적당한 이방성 도전율 및 전류밀도의 영상화 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 도전율 및 전류밀도의 영상화 시스템은, 측정대상 내에 전류들을 주입하는 다수의 전류주입수단들과, 상기 전류들에 의해 상기 측정대상 내에서 발생되는 자속밀도의 한 방향 성분을 측정하는 MRI 장치와, 상기 전류주입수단들로 하여금 상기 측정대상 내에 서로 다른 방향의 전류들을 주입하도록 제어하며, 상기 측정된 자속밀도의 한 방향 성분을 이용하여 상기 측정대상 내부의 이방성 도전율의 방향 성분들을 계산하는 연산부와, 상기 계산된 이방성 도전율의 방향 성분들을 이용하여 상기 측정대상의 내부를 영상화하는 디스플레이 수단을 포함한다.
여기서 상기 연산부는, 임의의 도전율에 상응하는 상기 측정대상의 내부 전압 및 표면 전압을 계산하고, 상기 계산된 내부 전압과 상기 측정된 자속밀도의 한 방향 성분을 이용하여 상기 이방성 도전율의 방향 성분들을 차례로 계산한다.
상기 연산부는 상기 계산된 표면 전압과 실제 표면 전압의 비율에 따라 상기 계산된 이방성 도전율의 방향 성분을 상수배로 곱하거나 나눈다.
그리고, 상기 연산부는 상기 임의의 도전율의 방향 성분과 상기 계산된 이방성 도전율의 방향 성분의 차의 절대값이 설정된 값 이하이면, 상기 계산된 이방성 도전율의 방향 성분을 실제 도전율의 방향성분으로 판단한다.
본 발명의 도전율 및 전류밀도 영상화 방법은, 측정대상 표면에 부착된 전류 주입수단들을 통해 상기 측정대상 내부에 서로 다른 방향의 전류들을 공급하는 단계와; 상기 전류들에 의해 상기 측정대상 내에서 발생되는 자속밀도의 한 방향 성분을 측정하는 단계와; 상기 측정된 자속밀도의 한 방향 성분을 이용하여 상기 측정대상 내부의 이방성 도전율의 방향 성분들을 계산하는 단계와; 상기 이방성 도전율의 방향 성분들을 이용하여 상기 측정대상 내부를 영상화하는 단계를 포함한다.
상기 서로 다른 방향의 전류들을 공급하는 단계에서, 상기 전류주입수단 쌍을 차례로 선택하고, 상기 선택된 전류주입수단 쌍을 통해 상기 측정대상에 전류를 주입한다.
상기 이방성 도전율의 방향 성분들을 계산하는 단계는, 임의의 도전율에 상응하는 상기 측정대상의 내부 전압 및 표면 전압을 계산하는 단계와; 상기 계산된 내부 전압과 상기 측정된 자속밀도의 한 방향 성분을 이용하여 상기 이방성 도전율의 방향 성분들을 차례로 계산하는 단계로 이루어진다.
또한, 본 발명의 영상화 방법은, 상기 임의의 도전율의 방향 성분과 상기 계산된 이방성 도전율의 방향 성분의 차의 절대값을 계산하고, 상기 계산된 절대값을 설정된 값과 비교하는 단계와, 상기 계산된 표면 전압과 실제 표면 전압의 비율에 따라 상기 계산된 이방성 도전율의 방향 성분을 상수배로 곱하거나 나누는 단계를 더 포함한다. 여기서, 상기 임의의 도전율의 방향 성분과 상기 계산된 이방성 도전율의 방향 성분의 차의 절대값이 설정된 값 이하이면, 상기 계산된 이방성 도전율의 방향 성분을 실제 도전율의 방향성분으로 판단한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명 하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 영상화 시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 영상화 시스템은, 인체나 물체 등과 같은 측정대상(S)의 내부에 여러 방향(j=1,2,...N)의 전류들을 차례로 주입하는 다수의 전류주입수단(100)들과, 상기 측정대상(S) 내부에 주입된 전류들에 따른 상기 측정대상(S) 내의 자속밀도들을 측정하는 MRI 장치(200)와, 상기 주입된 전류들에 따른 상기 측정대상(S) 표면의 전압과 상기 측정된 자속밀도를 이용하여 상기 측정대상(S) 내부의 도전율 분포(conductivity distribution)와 전류밀도 분포(current density distribution)를 계산하는 연산부(300)와, 상기 측정대상(S)의 내부를 도전율(또는 저항률) 영상 및 전류밀도 영상으로 나타내는 디스플레이 수단(400)과, 상기 전류주입수단(100)에 전류를 공급하는 전류원(500)을 포함한다.
상기 전류주입수단(100)은, 구리와 같은 비자성의 금속이나 도전율이 매우 큰 재료로 이루어진 전극(21)과, 상기 전극(21)에 전류를 공급하는 도선(wire)(23)을 포함한다. 상기 측정대상(S)의 표면에 상기 전극(21)을 직접적으로 부착시키는 것이 가능하지만, 상기 측정대상(S)의 표면(boundary)에서 자속밀도의 왜곡을 방지하기 위해 상기 전극(21)을 상기 측정대상(S)의 표면으로부터 이격(separate)시키는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명의 전류주입수단(100)의 일실시예는, 도 2에 도시한 바와 같이 상기 전극(21)을 상기 측정대상(S)으로부터 이격시키기 위해 상기 전극(21)과 부착되는 절연용기(25)를 더 포함한다. 상기 절연용기(25)의 한쪽 면은 상기 전극(21)과 부착되고, 다른 면은 개방된 상태로 상기 측정대상(S)과 접 촉한다. 그리고 상기 절연용기(25)의 내부에는 전해질 젤이나 전해질 용액을 흡수한 스폰지가 삽입되어져 있다. 전해질 젤이나 전해질 용액을 흡수한 스폰지는 전극(21)으로부터 공급되는 전류가 절연용기(25) 내에 균일하게 흐르게 한다. 이처럼 절연용기(25)를 이용하여 상기 전극(21)을 측정대상(S)의 표면으로부터 일정 간격만큼 이격시킴과 동시에 전해질 젤이나 전해질 용액을 흡수한 스폰지를 이용하여 상기 측정대상(S)에 전류를 균일하게 공급함으로써, 전극(21)과 접촉하는 측정대상(S)의 표면 근처에서 MRI 영상의 왜곡을 줄일 수 있다.
본 발명의 전류주입수단(100)의 다른 실시예는, 도 3a 및 3b에 도시한 바와 같이 전극(31)과, 상기 전극(31)에 연결된 도선(33)와, 상기 전극(31)을 부착한 반구형(半球形)의 절연용기(35)를 포함한다. 상기 절연용기(35)의 한쪽 면은 상기 전극(31)과 부착되고, 다른 면은 개방된 상태로 상기 측정대상(S)과 접촉한다. 그리고 상기 절연용기(35)의 내부에는 전해질 젤이나 전해질 용액을 흡수한 스폰지(37)가 삽입되어져 있다.
상기 전류주입수단(100)들은 측정대상(S)의 표면에 부착되고, 한번에 한 쌍의 전류주입수단(100)에만 전류가 흐르게 된다. 따라서 두 개의 전류주입수단(100)에 의해 상기 측정대상(S)내에 전류가 공급된다. 전류주입수단(100)의 개수를 E라고 가정했을 때, 상기 측정대상(S) 내에 전류를 주입하기 위한 전류주입수단(100) 쌍에 대한 경우의 수 N은 E(E-1)/2 개이다. 이는 상기 측정대상(S)내에서 흐르는 전류 경로의 개수와 같다. 상기 전류주입수단(100)의 쌍 사이의 주입 전류를 I j (j=1,2,...N)라고 한다. 상기 전류 I j는 상기 측정대상(S) 내에서 전류 밀도 J j=(J j x, J j y, J j z)를 발생시킨다.
상기 MRI 장치(200)는 상기 전류 I j에 따른 상기 측정대상(S) 내의 자속 밀도 B j를 측정한다. 특히, 상기 자속 밀도 B j 중 상기 MRI 장치(200)의 주자장(main magnetic field)과 평행한 z방향에 해당하는 자속 밀도의 성분 B j z를 측정한다. 즉, 상기 MRI 장치(200)는 상기 측정대상(S) 내에 주입된 각 전류(I 1,I 2, I 3,....I N)에 의해 발생하는 자속 밀도(B 1 z,B 2 z,B 3 z,....B N z)를 측정한다.
상기 연산부(300)는 전류주입수단(100) 쌍을 차례로 선택하며 상기 선택된 전류주입수단(100) 쌍으로 하여금 상기 측정대상(S) 내에 전류를 주입하도록 상기 전류주입수단(100)들을 제어한다. 또한 상기 연산부(300)는 상기 MRI 장치(200)에 의해 측정된 자속 밀도 B j z를 설정된 알고리즘에 적용하여 상기 측정대상(S) 내부 각 지점에서의 이방성도전율 A (3
Figure 112003044538663-pat00002
3 행열로 표현됨)과 전류밀도 J j를 계산한다. 여기서, 상기 도전율 A은 저항률
Figure 112003044538663-pat00003
의 역행열이므로
Figure 112003044538663-pat00004
로 표현될 수 있다. 그리고, 상기 디스플레이 수단(400)은 상기 도전율 A 및 전류밀도 J j에 따라 상기 측정대상(S)의 내부를 각각 영상화한다.
본 발명에 따른 영상화 방법과 그에 이용되는 알고리즘을 구체적으로 설명하 면 다음과 같다.
먼저, 도 1에 도시한 바와 같이, 측정대상(S)의 표면 즉, 신체의 표면에 다수의 전류주입수단(100)이 부착된다. 이방성 도전율 A를 구하기 위해서는 측정대상(S) 내부에 차례로 주입되는 전류들은 7가지 이상의 방향으로 주입되어야 하기 때문에 상기 전류주입수단(100)은 적어도 5개 이상 필요하며 적절한 간격으로 배치되어야 한다. 여기서, 상기 이방성 도전율 A는 다음의 행렬과 같이 표현된다.
Figure 112003044538663-pat00005
상기 이방성 도전율 A는 9가지의 방향 성분으로 표현되지만 성분
Figure 112003044538663-pat00006
와
Figure 112003044538663-pat00007
이 동일하고 성분
Figure 112003044538663-pat00008
과
Figure 112003044538663-pat00009
이 동일하고 성분
Figure 112003044538663-pat00010
과
Figure 112003044538663-pat00011
이 서로 동일하므로 실제로 이방성 도전율 A는 총 6가지 성분을 갖는다. 따라서, 이방성 도전율 A의 6가지 성분을 알기 위해서는 적어도 7가지 방향의 전류들이 측정대상(S) 내로 주입되어야 한다. 본 발명에서는 7가지 방향의 전류가 측정대상(S) 내로 주입되는 경우를 실시예로 하여 설명하기로 한다.
상기 측정대상(S)의 표면에 상기 전류주입수단(100)이 부착된 상태로 상기 측정대상(S)을 MRI 장치(200) 내에 위치시킨 후에, 상기 전류주입수단(100) 쌍을 하나씩 차례로 선택하고, 차례로 선택되는 상기 전류주입수단(100) 쌍을 통해 상기 측정대상(S) 내부에 전류 I j (j=1,2,...7)를 차례로 공급한다. 이때, MRI 장치(200)는 상기 측정대상(S) 내에 주입된 각 전류들(I 1,I 2,...I 7 )에 의해 각각 발생하는 상 기 측정대상(S) 내의 자속 밀도(B 1 z,B 2 z,... B 7 z)와 상기 측정대상(S)의 표면 전압
Figure 112003044538663-pat00012
을 측정한다. 상기 MRI 장치(200)는 z 방향에 해당하는 자속 밀도의 성분만을 측정한다. 여기서, 상기 표면 전압
Figure 112003044538663-pat00013
은 상기 선택된 전류주입수단(100) 쌍을 통해 상기 측정대상(S)에 전류가 공급될 때, 선택되지 않은 전류주입수단(100)들과 측정대상(S) 사이의 경계면(boundary)에서의 전압이다. 즉, 상기 표면 전압
Figure 112003044538663-pat00014
은 상기 선택되지 않은 전류주입수단(100)들에 의해 측정된다.
이어, 상기 연산부(300)는, 상기 전류(I 1,I 2,...I 7)에 의해 발생하는 상기 측정대상(S)의 표면 전압
Figure 112003044538663-pat00015
과, 상기 MRI 장치(200)에 의해 측정된 자속 밀도 (B 1 z,B 2 z,...B 7 z)를 설정된 알고리즘에 적용하여 상기 측정대상(S) 내부의 이방성 도전율 A와 전류밀도 J j를 계산한다.
상기 자속밀도 B j z 및 상기 표면 전압
Figure 112003044538663-pat00016
를 이용하여 측정대상(S) 내부의 이방성 도전율 A와 전류밀도 J j를 계산하는 알고리즘에 사용되는 수학식들은 다음과 같다.
S : 측정대상
Figure 112003044538663-pat00017
: 측정대상의 표면
g j : 측정대상 표면에서 주입전류에 의한 전류밀도 성분
n : 측정대상 표면에서의 법선 벡터
V j : 주입전류에 의해 발생하는 측정대상 내의 전압
암페어 법칙으로부터 유도된 수학식
Figure 112003044538663-pat00018
과 Ohm의 법칙 으로부터 유도된 수학식
Figure 112003044538663-pat00019
을 이용하여 자속밀도 B j z 에 대해 표현하면 다음의 수학식 1과 같다. 여기서,
Figure 112003044538663-pat00020
는 자유공간에서의 투자율(magnetic permeability)이다.
Figure 112003044538663-pat00021
Figure 112003044538663-pat00022
여기서,
Figure 112003044538663-pat00023
를 b 라 하고,
Figure 112003044538663-pat00024
를 s라 하면 상기 수학식 1은 b = Us로 표현될 수 있다.
상기 MRI 장치(200)에 의해 측정된 자속밀도 B j z와 상기 측정대상(S) 내부의 전압 V j (j=1,2,...7)를 상기 수학식 1에 대입하면 상기 s를 유도할 수 있다. 그러나 상기 측정대상(S) 내부의 전압 V j 를 알지 못하면 상기 측정대상(S) 내의 실제 도전율을 구할 수 없다. 상기 측정대상(S) 내부의 전압 V j 는 측정이 불가능하므로 이를 구하기 위해 수학식 3을 이용한 반복알고리즘을 사용한다. 상기 s를 이용하면 이방성 도전율 A의 한 성분
Figure 112003044538663-pat00025
을 제외한 나머지 모든 성분들을 구할 수 있다. 다시 말해서 z-방향의 도전율 성분을 제외한 나머지 성분들(
Figure 112003044538663-pat00026
,
Figure 112003044538663-pat00027
,
Figure 112003044538663-pat00028
,
Figure 112003044538663-pat00029
,
Figure 112003044538663-pat00030
)을 구한다.
상기 이방성 도전율 A의 성분
Figure 112003044538663-pat00031
을 구하기 위해서는 다음의 수학식 2를 이용한다. 수학식 1을 이용하여 계산된 도전율 성분들
Figure 112003044538663-pat00032
,
Figure 112003044538663-pat00033
,
Figure 112003044538663-pat00034
,
Figure 112003044538663-pat00035
,
Figure 112003044538663-pat00036
과 전압 V j , 전류밀도
Figure 112003044538663-pat00037
,
Figure 112003044538663-pat00038
의 값을 수학식 2에 대입하여 이방성 도전율 A의 성분
Figure 112003044538663-pat00039
을 계산한다.
Figure 112003044538663-pat00040
여기서, 상기 전류밀도
Figure 112003044538663-pat00041
와
Figure 112003044538663-pat00042
는 다음의 식들로부터 얻을 수 있다.
Figure 112003044538663-pat00043
Figure 112003044538663-pat00044
수학식 2로부터
Figure 112003044538663-pat00045
을 계산하기 위해선 상기 측정대상(S) 내부의 전압 V j 의 값을 알아야한다. V j 의 값의 계산은 수학식 3과 고전적인 반복법을 이용한다.
Figure 112003044538663-pat00046
(j=1,2,...,7)
Figure 112003044538663-pat00047
여기서, 상기 전류밀도 성분 g j 은 선택된 전류주입수단(100) 쌍과 접촉하지 않는 측정대상(S)의 표면에서 제로(0)값을 갖는다. 상기 이방성 도전율 A와 주입전류 I j, 그리고 상기 전류주입수단(100)들의 배치를 알게되면 FEM(finite element method)와 같은 계산 방법으로 상기 수학식 3로부터 V j 를 얻을 수 있다.
그러나, 수학식 3을 이용하여 V j 를 구하기 위해선 이방성 도전율 A을 알아야하는 반면, 수학식1과 수학식2를 이용하여 A를 구하기 위해선 V j 를 구해야한다. 상기의 수학식들(수학식1, 수학식2, 수학식 3)을 이용하여 상기 연산부(300)가 도전율 A 및 전압V j 를 계산하는 과정은 다음과 같다.
임의로 초기 도전율
Figure 112003044538663-pat00048
을 설정하고, 아래의 수학식 3에 상기 초기 도전율
Figure 112003044538663-pat00049
과 상기 측정대상(S) 표면에서의 전류밀도 성분 g j 을 대입하여 상기 측정대상(S) 내부 및 표면에서의 전압
Figure 112003044538663-pat00050
과
Figure 112003044538663-pat00051
을 계산한다. 여기서, 상기 초기 도전율
Figure 112003044538663-pat00052
은 모든 방향 성분이 균일하다는 가정 하에 동일 값으로 설정되거나 또는 인체의 조직별로 알려져 있는 도전율의 방향 성분들 값으로 설정될 수 있다. 그리고 상기 전압들은 임의로 설정된 초기 도전율
Figure 112003044538663-pat00053
을 이용하여 계산된 전압들이다. 상기 초기 도전율
Figure 112003044538663-pat00054
은 여기서, 상기 전류밀도 성분 g j 는 상기 전류 I j (j=1,2,...7)에 의해 알 수 있다.
Figure 112003044538663-pat00055
(j=1,2,...,7)
Figure 112003044538663-pat00056
임의의 초기 도전율
Figure 112003044538663-pat00057
을 이용하여 상기 측정대상(S)의 전압
Figure 112003044538663-pat00058
이 구 해진 이후, 상기 전압
Figure 112003044538663-pat00059
값과 상기 측정된 자속밀도 B j z 값을 상기 수학식 1에 대입하여 이방성 도전율
Figure 112003044538663-pat00060
의 성분들을 계산한다.
상기 계산된 이방성 도전율
Figure 112003044538663-pat00061
의 방향성분들은 초기 도전율 의 방향 성분들에 비하여 실제의 도전율 값에 더 가까워진다. 왜냐하면, 상기 계산된 도전율
Figure 112003044538663-pat00063
은 상기 측정대상(S) 내부의 실제 자속밀도 B j z가 고려된 값이기 때문이다.
본 발명에서는 한층 더 실제 도전율에 가까운 도전율을 얻기 위해 반복(iteration) 형태의 알고리즘을 이용한다. 즉, 다음의 수학식
Figure 112003044538663-pat00064
과 같이, 이전 단계의 도전율
Figure 112003044538663-pat00065
의 방향 성분과 상기 개선된 도전율
Figure 112003044538663-pat00066
의 해당 성분간의 차이를 계산하고, 상기 계산된 값이 설정된 값
Figure 112003044538663-pat00067
보다 작은지를 판단한다. 이때 상기 계산된 값이 설정된 값
Figure 112003044538663-pat00068
보다 크다면 작아질 때까지 m 값을 증가시켜 상술한 바와 같이 상기 수학식 4과 수학식 1, 수학식 2를 반복 계산한다. 만약, 상기 이전 단계의 도전율
Figure 112003044538663-pat00069
의 성분과 상기 계산된 도전율
Figure 112003044538663-pat00070
의 성분간의 차가 설정된 값
Figure 112003044538663-pat00071
보다 작으면 상기 이방성 도전율
Figure 112003044538663-pat00072
의 성분들을 실제 도전율의 방향 성분들로 여기고, 상기 도전율
Figure 112003044538663-pat00073
을 이용하여 상기 측정대상(S) 내부를 영상화한다.
그러나 상기 계산된 이방성 도전율
Figure 112003044538663-pat00074
의 성분들이 실제 자속밀도 B j z를 고려해서 얻어진 것이라 해도 실제 도전율과 다를 수 있다. 즉, 상기 계산된 이방 성 도전율
Figure 112003044538663-pat00075
은 상기 자속밀도 B j z에 따라 다른 값을 갖지만 실제 도전율에 비해 상수 배만큼 크거나 작을 수 있다. 실제 도전율에 대한 상기 계산된 도전율
Figure 112003044538663-pat00076
성분들의 상수 배 차이를 제거하기 위해 본 발명에서는 상기 측정된 표면 전압
Figure 112003044538663-pat00077
와 상기 계산된 표면 전압
Figure 112003044538663-pat00078
을 이용하여 상기 이방성 도전율
Figure 112003044538663-pat00079
의 성분들을 스케일(scale)하는 과정을 추가할 수 있다. 다시 말해서, 상기 측정된 표면 전압
Figure 112003044538663-pat00080
와 상기 계산된 표면 전압
Figure 112003044538663-pat00081
의 비율에 따라 상기 이방성 도전율
Figure 112003044538663-pat00082
을 상수 배로 곱하거나 나눈다. 이로써 보다 더 정확한 도전율 값을 얻을 수 있다.
이후, 상기 이방성 도전율
Figure 112003044538663-pat00083
의 성분들을 상기 수학식 4에 대입하여 그에 대응하는 전압, 즉 상기 측정대상(S) 내부의 전압 V j 을 계산하고, 상기 도전율
Figure 112003044538663-pat00084
의 성분들과 상기 전압 V j 을 이용하여 전류밀도 J j를 계산한다. 그리고, 상기 전류밀도 J j를 이용하여 상기 측정대상(S) 내부를 영상화한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 인체 또는 물체 등과 같은 측정대상을 MRI 장치 내에서 회전시키지 않고도 측정대상 내부의 도전율 영상 및 전류밀도 영상을 얻을 수 있다.
또한, 전류주입수단을 기존의 MRI 장치와 함께 사용함으로써, 기존의 MRI 장 치만으로는 얻을 수 없었던 측정대상 내부의 도전율 및 전류밀도를 얻을 수 있으며, 이를 이용하여 고화질의 영상을 재현할 수 있다. 게다가 인체 내의 각 지점에서 도전율의 방향성분을 알 수 있기 때문에 근육과 같은 인체조직에서의 도전율을 보다 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 도전율 영상 및 전류밀도 영상을 기존의 의료장비에 적용시킬 수 있다. 따라서 생리작용에 따라 생체조직의 저항률이 변하는 장기들을 대상으로 한 기능영상(functional imaging)을 제공할 수 있으며 이로 인해 새로운 의료 검진 기술을 확보할 수 있다. 예를 들어, 호흡에 따른 폐의 용적 측정(폐에 공기가 흡입될 때와 배출될 때의 폐 내부의 저항률이 달라짐을 이용한 측정)이나, 심장의 심박출량 측정, 위장기능의 측정, 방광 잔료량 측정, 골절 치유상태의 측정, 또는 뇌기능 측정 등에 필요한 영상을 제공할 수 있다.
그리고, 인체조직의 전기적인 특성을 정량적으로 알 수 있으므로 각종 전자기 신경/근육 자극기(electric/magnetic stimulator), 세동 제거기(defibrillator), 심박 조율기(cardiac pacemaker) 등 전자기 에너지를 이용하는 진단기기나 치료기기의 최적화가 가능해진다.
이상에서 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정해져야 한다.

Claims (8)

  1. 측정대상 내에 전류들을 주입하는 다수의 전류주입수단들과,
    상기 전류들에 의해 상기 측정대상 내에서 발생되는 자속밀도의 한 방향 성분을 측정하는 MRI 장치와,
    상기 전류주입수단들로 하여금 상기 측정대상 내에 서로 다른 방향의 전류들을 주입하도록 제어하며, 상기 측정된 자속밀도의 한 방향 성분을 이용하여 상기 측정대상 내부의 이방성 도전율의 방향 성분들을 계산하고, 임의의 도전율을 근거로 계산된 상기 측정대상의 표면전압과 상기 측정대상의 측정된 표면전압의 비율에 따라 상기 계산된 이방성 도전율의 방향 성분들을 보정하는 연산부와,
    상기 계산된 이방성 도전율의 방향 성분들을 이용하여 상기 측정대상의 내부를 영상화하는 디스플레이 수단을 포함하는 도전율 및 전류밀도 영상화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 임의의 도전율에 상응하는 상기 측정대상의 내부 전압 및 표면 전압을 계산하고, 상기 계산된 내부 전압과 상기 측정된 자속밀도의 한 방향 성분을 이용하여 상기 이방성 도전율의 방향 성분들을 차례로 계산함을 특징으로 하는 도전율 및 전류밀도 영상화 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    수학식
    Figure 112003044538663-pat00085
    Figure 112003044538663-pat00086
    에 상기 계산된 내부 전압들(V 1 ,V 2 ...V 7 )과 상기 자속밀도의 한 방향 성분들(B 1 z,B 2 z,...B 7 z)을 대입하여 상기 이방성 도전율의 방향 성분들(
    Figure 112003044538663-pat00087
    ,
    Figure 112003044538663-pat00088
    ,
    Figure 112003044538663-pat00089
    ,
    Figure 112003044538663-pat00090
    ,
    Figure 112003044538663-pat00091
    )을 계산함을 특징으로 하는 도전율 및 전류밀도 영상화 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 계산된 내부 전압과 상기 자속밀도의 한 방향 성분을 이용하여 상기 측정대상 내부의 전류밀도를 계산하고, 상기 계산된 내부 전압(V 1 ,V 2 ...V 7 )과 상기 전류밀도
    Figure 112003044538663-pat00092
    와
    Figure 112003044538663-pat00093
    을 수학식
    Figure 112003044538663-pat00094
    에 대입하여 상기 이방성 도전율의 방향 성분(
    Figure 112003044538663-pat00095
    )을 계산함을 특징으로 하는 도전율 및 전류밀도 영상화 시스템.
  5. 측정대상 표면에 부착된 전류주입수단들을 통해 상기 측정대상 내부에 서로 다른 방향의 전류들을 공급하는 단계와;
    상기 전류들에 의해 상기 측정대상 내에서 발생되는 자속밀도의 한 방향 성분을 측정하는 단계와;
    상기 측정된 자속밀도의 한 방향 성분을 이용하여 상기 측정대상 내부의 이방성 도전율의 방향 성분들을 계산하는 단계와;
    임의의 도전율을 근거로 계산된 상기 측정대상의 표면전압과 상기 측정대상의 측정된 표면전압의 비율에 따라 상기 계산된 이방성 도전율의 방향 성분들을 보정하는 단계와;
    상기 이방성 도전율의 방향 성분들을 이용하여 상기 측정대상 내부를 영상화하는 단계를 포함하는 도전율 및 전류밀도 영상화 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 이방성 도전율의 방향 성분들을 계산하는 단계는,
    상기 임의의 도전율에 상응하는 상기 측정대상의 내부 전압 및 표면 전압을 계산하는 단계와;
    상기 계산된 내부 전압과 상기 측정된 자속밀도의 한 방향 성분을 이용하여 상기 이방성 도전율의 방향 성분들을 차례로 계산하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 도전율 및 전류밀도 영상화 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    수학식
    Figure 112003044538663-pat00096
    Figure 112003044538663-pat00097
    에 상기 계산된 내부 전압들(V 1 ,V 2 ...V 7 )과 상기 자속밀도의 한 방향 성분들(B 1 z,B 2 z,...B 7 z)을 대입하여 상기 이방성 도전율의 방향 성분들 (
    Figure 112003044538663-pat00098
    ,
    Figure 112003044538663-pat00099
    ,
    Figure 112003044538663-pat00100
    ,
    Figure 112003044538663-pat00101
    ,
    Figure 112003044538663-pat00102
    )을 계산함을 특징으로 하는 도전율 및 전류밀도 영상화 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 계산된 내부 전압과 상기 자속밀도의 한 방향 성분을 이용하여 상기 측 정대상 내부의 전류밀도를 계산하고, 상기 계산된 내부 전압(V 1 ,V 2 ...V 7 )과 상기 전류밀도
    Figure 112003044538663-pat00103
    와
    Figure 112003044538663-pat00104
    을 수학식
    Figure 112003044538663-pat00105
    에 대입하여 상기 이방성 도전율의 방향 성분(
    Figure 112003044538663-pat00106
    )을 계산함을 특징으로 하는 도전율 및 전류밀도 영상화 방법.
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