KR100581229B1 - Method for Measuring the Density of Shinbone by Using Lamb Wave - Google Patents
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Abstract
본 발명은 램파를 이용한 경골의 골밀도 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로서,The present invention relates to a bone density measurement device and a method for measuring tibia using lamb wave,
전기적 신호를 램파로 변환하여 경골에 길이방향으로 조사하는 단계와; 소정 거리에 걸쳐서 전송된 램파를 전기적 신호로 변환시키는 단계와; 상기 전기적 신호를 시간함수로 변환시키는 단계와; 상기 시간함수로 변환된 전기적 신호를 분석하여 램파의 속도를 산출하는 단계와; 상기 램파의 속도로부터 골밀도를 측정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 램파를 이용한 경골의 골밀도 측정방법 및, 이를 실시하기 위한 장치인 것을 특징으로 하므로,Converting the electrical signal into a lamb wave and irradiating the tibia in a longitudinal direction; Converting the lamb wave transmitted over a predetermined distance into an electrical signal; Converting the electrical signal into a time function; Calculating a speed of a lamb wave by analyzing the electrical signal converted into the time function; Since the bone density measurement method of the tibia using lamb wave, characterized in that it comprises a step of measuring the bone density from the speed of the lamb wave, and characterized in that the device for performing this,
피질골로 이루어진 인체의 경골에 램파를 조사하여 골밀도를 측정하므로, 골절의 위험도를 조기에 예측할 수 있고 인체에 유해한 방사선 조사를 받지 않는다는 이점이 있다.Since bone density is measured by irradiating ram waves to the tibia of the human body, which is made of cortical bone, the risk of fracture can be predicted early and there is an advantage of not receiving harmful radiation to the human body.
Description
도 1은, 본 발명에 따른 램파(Lamb wave)를 이용한 골밀도(Bone Mineral Density: BMD) 측정장치를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a Bone Mineral Density (BMD) measuring apparatus using a lamb wave according to the present invention.
도 2는, 경골(tibia)의 길이방향으로 전송된 램파를 시간에 대하여 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the time of the lamb wave transmitted in the longitudinal direction of the tibia.
<주요 도면부호의 설명><Description of Major Reference Signs>
11 : 송신용 초음파 변환기 12 : 수신용 초음파 변환기11: ultrasonic transducer for transmission 12: ultrasonic transducer for reception
13 : 초음파 송신부 14 : 초음파 수신부13: ultrasonic transmitter 14: ultrasonic receiver
15 : 신호처리 모듈 16 : 계산 모듈15: signal processing module 16: calculation module
17 : 디스플레이부17 display unit
본 발명은 램파(Lamb wave)를 이용한 경골의 골밀도 측정방법에 관한 것으로서, 특히 피질골(cortical bone)로 이루어진 인체의 경골 등에 길이방향으로 램파를 전송, 분석함으로써 골밀도를 측정하고 골다공증(osteoporosis)을 진단하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring bone density of tibia using lamb wave, and in particular, to measure bone density by transmitting and analyzing lamb wave in the longitudinal direction to the tibia of a human body made of cortical bone (cortical bone) and diagnosing osteoporosis. It is about how to.
골다공증이란 골소실에 의한 골량의 감소 및 골조직의 미세구조 파괴로 인하여 뼈가 약해짐에 따라 작은 충격에도 쉽게 골절이 발생할 수 있는 질환이다. 십여 년 전까지만 해도 골다공증은 대퇴부, 요골부 또는 척추의 골절이 발생한 후 또는 극심한 골소실이 발생한 후에야 비로소 X-선 촬영상에 소견을 보임으로써 진단이 가능하였다. 이와 같이, 뒤늦게 골다공증 진단이 내려지는 진단지연으로 인해 치료가 시작되더라도 대부분 치료효과를 기대할 수 없었으며 어느 순간 골절이 일어나는 것을 거의 피할 수가 없었다. 따라서, 자연스럽게 골다공증의 예방이 강조되어졌고, 예방을 위해서는 본 질환을 조기에 발견할 수 있는 적절한 진단기들의 개발이 요구되었다.Osteoporosis is a disease in which bone fractures can easily occur as a result of bone loss due to bone loss and bone structure microstructure destruction. Up to a decade ago, osteoporosis could only be diagnosed by X-ray findings after fractures of the thigh, radial or spine, or severe bone loss. As such, due to the delayed diagnosis of osteoporosis, most treatment effects could not be expected even if the treatment was started, and fractures could hardly be avoided at any moment. Therefore, the prevention of osteoporosis has naturally been emphasized, and the prevention of the development of appropriate diagnostic devices for early detection of the disease is required.
이러한 진단기 중 방사선 조사를 이용한 진단수단으로서 전술한 단순 X-선 촬영법을 들 수 있는데, 이는 비교적 저렴한 경비로 골다공증에 의한 뼈의 극심한 소실을 볼 수 있는 검사이다. 그러나, 이 방법에 따르면, 적어도 30%의 골소실이 발생한 후에야 진단이 가능하며, 약물투여 1-2년 후의 치료효과 판정을 관찰하는 것은 불가능하였다.Among such diagnostic devices, the above-mentioned simple X-ray imaging method may be used as a diagnostic means using radiation irradiation, which is a test capable of seeing severe loss of bone due to osteoporosis at a relatively low cost. However, according to this method, diagnosis can be made only after at least 30% of bone loss has occurred, and it was impossible to observe the treatment effect determination after 1-2 years of drug administration.
한편, 골다공증이 환자의 진단 및 치료 측면에서는 물론 의료보험의 경제적 측면에서도 매우 중요하게 인식됨에 따라서 가능한 한 많은 환자를 대상으로 값싸게 검진할 수 있는 방법들의 개발에 관심을 기울이게 되었다. 이에 따라, 최근에는 동위원소를 에너지원으로 이용하는 대신에, 일반 X-선 촬영기와 유사하게 이중 에너지 방사선을 기기 자체로부터 생성시켜 직접 방출시킬 수 있는 이중에너지 방사선 골밀도 측정기(Dual Energy X-ray Absorptiometry: DEXA)가 개발되었고, 현재 국내외적으로 가장 널리 사용되고 있다.On the other hand, as osteoporosis is very important not only in the diagnosis and treatment of patients but also in the economics of medical insurance, attention has been paid to the development of methods to screen inexpensively for as many patients as possible. Accordingly, instead of using isotopes as an energy source, a Dual Energy X-ray Absorptiometry, which can generate and directly radiate dual energy radiation directly from the device itself, similar to a general X-ray imaging machine: DEXA) has been developed and is currently most widely used at home and abroad.
또한, 정량적 컴퓨터 단층촬영기(Quantitative Computed Tomography: QCT)가 공지되어 있으며, 이는 많은 병원에 설치되어 있는 기존의 단층촬영기에 저밀도로부터 점진적으로 고밀도를 나타내는 기준물질이 내장된 보조기구를 설치하여 촬영함으로써, 환자의 골밀도를 비교 및 정량화할 수 있도록 고안된 장치이다. 그러나, 측정시간이 골밀도 측정기보다 오래 걸리며, 노인들에게서 정확도가 떨어지고, 방사선 피폭량이 많으며, 골밀도 측정기와 비교할 때 척추부의 여러 뼈를 동시에 보기 어렵고, 또 촬영시간도 많이 소요된다는 단점이 있었다.In addition, quantitative computed tomography (QCT) is known, which has been installed in many hospitals by installing an auxiliary device with a built-in reference material indicating progressively higher density from low density, It is a device designed to compare and quantify a patient's bone density. However, the measurement time is longer than the BMD, the accuracy is poor in the elderly, radiation exposure, compared to the bone density meter, it is difficult to see several bones of the spine at the same time, and also took a lot of time taken.
이와 같은 상술한 방사선 조사를 이용한 방법은, 공통적으로 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있다.Such a method using the above-mentioned irradiation can have a harmful effect on the human body in common.
그러나, 최근 많은 관심을 끌고 있는 초음파를 이용한 골다공증 진단은 X-선 등에 비해 인체에 미치는 위험이 거의 없으며, 초음파 진단장비는 그 사용이 간편하고 가격이 저렴한 장점을 가지고 있으므로, 의료 및 경제적인 측면에서 환자뿐 아니라 의료보험 경비면에서도 매우 유리하다. 그런데, 현재 병원에서 널리 사용되고 있는 초음파를 이용한 골밀도 측정기는 대부분 초음파를 해면질골(cancellous bone)로 이루어진 인체의 종골에 투과하여 종골의 음속(Speed Of Sound: SOS) 및 광대역밴드 초음파 감쇠량(Broadband Ultrasonic Attenuation: BUA)을 측정함으로써 골밀도를 측정 및 골다공증을 진단하는 방법을 이용하고 있으며, 골절이 처음 발생되는 부분인 피질골의 골밀도를 정확히 측정하는 방식은 개시된 바 없다. 이 또한, 종골과 이를 둘러싼 피부조직의 두께, 종골의 이소성, 측정시 발의 위치 및 초음파 입사각에 따른 측정오차가 크고 재현성이 부족하므로 정확한 골다공증 진단에 한계점을 가지고 있었다.However, the diagnosis of osteoporosis using ultrasound, which has recently attracted a lot of attention, has little risk to the human body compared to X-rays, and the ultrasound diagnostic equipment has the advantages of being easy to use and inexpensive. It is very advantageous not only for patients but also for health insurance expenses. By the way, the bone density meter using ultrasonic waves, which are widely used in hospitals, is transmitted to the calcaneus of the human body consisting mostly of cancellous bones, and thus the speed of sound (SOS) and the broadband ultrasonic attenuation. : Method of measuring bone density and diagnosing osteoporosis by measuring BUA), and the method of accurately measuring bone density of cortical bone, which is the first occurrence of fracture, has not been disclosed. In addition, the measurement error according to the thickness of the calcaneus and the surrounding skin tissue, the calcaneal of the calcaneus, the position of the foot and the angle of ultrasound incidence and the lack of reproducibility had limitations in accurate diagnosis of osteoporosis.
본 발명은 상술한 초음파 진단장비의 장점을 이용하고 종래기술의 한계점을 극복하기 위하여 안출된 것으로서, 발명의 목적은 피질골로 이루어진 인체의 경골에 길이방향으로 램파를 전송하여 램파의 속도를 측정함으로써, 측정 정밀도 및 재현성이 우수한 골밀도 측정방법을 제공하는데 있다.The present invention has been made to use the advantages of the above-mentioned ultrasonic diagnostic equipment and to overcome the limitations of the prior art, the object of the invention is to measure the speed of the ram wave by transmitting the ram wave in the longitudinal direction to the tibia of the human body made of cortical bone, It is to provide a bone density measurement method excellent in measurement accuracy and reproducibility.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 램파를 이용한 경골의 골밀도 측정장치는,In order to achieve the above object, the bone density measurement device of tibia using lamb wave according to the present invention,
초음파용 전기신호를 발생시키는 초음파 송신부와;An ultrasonic transmitter for generating an ultrasonic electric signal;
상기 전기신호를 램파로 변환시키는 송신용 초음파 변환기와;A transmission ultrasonic transducer for converting the electrical signal into a lamb wave;
상기 송신용 초음파 변환기로부터 램파를 받아들이는 초음파 수신부와;An ultrasonic receiver for receiving lamb wave from the ultrasonic transmitter for transmission;
상기 초음파 수신부로부터의 램파를 전기적 신호로 변환시키는 수신용 초음파 변환기와;A receiving ultrasonic transducer for converting the lamb wave from the ultrasonic receiver into an electrical signal;
수신용 초음파 변환기에 의해 변환된 전기적 신호를 시간함수로 변환시키기 위한 신호처리 모듈과;A signal processing module for converting the electrical signal converted by the receiving ultrasonic transducer into a time function;
상기 신호처리 모듈에서 변환된 전기적 신호로부터 램파의 속도 및 골밀도를 구하는 계산모듈과;A calculation module for calculating a speed and bone density of a lamb wave from the electrical signal converted by the signal processing module;
이와 같이 얻어진 계산 및 진단결과를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 한다.It characterized in that it comprises a display unit for displaying the calculation and diagnostic results obtained in this way.
또한, 상기 계산 모듈에서, 램파의 속도와 골밀도는 선형의 관계로 설정되어 있다.Further, in the calculation module, the speed of the lamb wave and the bone density are set in a linear relationship.
또한, 상기 송신용 초음파 변환기와 수신용 초음파 변환기 사이에는 연결장치가 개재되어 있어, 양자간의 간격이 고정되어 있는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that a connection device is interposed between the transmitting ultrasonic transducer and the receiving ultrasonic transducer, so that the gap between them is fixed.
한편, 본 발명에 따른 램파를 이용한 경골의 골밀도 측정방법으로는,On the other hand, as a bone density measurement method of tibia using lamb wave according to the present invention,
전기적 신호를 램파로 변환하여 경골에 길이방향으로 조사하는 단계와;Converting the electrical signal into a lamb wave and irradiating the tibia in a longitudinal direction;
소정 거리에 걸쳐서 전송된 램파를 전기적 신호로 변환시키는 단계와;Converting the lamb wave transmitted over a predetermined distance into an electrical signal;
상기 전기적 신호를 시간함수로 변환시키는 단계와;Converting the electrical signal into a time function;
상기 시간함수로 변환된 전기적 신호를 분석하여 램파의 속도를 산출하는 단계와;Calculating a speed of a lamb wave by analyzing the electrical signal converted into the time function;
상기 램파의 속도로부터 골밀도를 측정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.And measuring the bone density from the speed of the lamb wave.
여기서, 상기 골밀도 측정치를, 데이터베이스화된 평균 골밀도와 비교함으로써 골다공증을 진단하는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.Here, it is preferable to further include the step of diagnosing osteoporosis by comparing the bone density measurement with the database of the average bone density.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하 도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 광대역밴드 초음파 반사량을 이용한 골밀도 측정장치를 나타낸 것으로, 상기 골밀도 측정장치는 전기적 신호를 램파로 변환시키는 송신용 초음파 변환기(11)와, 램파를 전기적 신호로 변환시키는 수신용 초음파 변환기(12)와, 상기 송신용 초음파 변환기(11)를 구동시키기 위한 초음파 송신부(13)와, 상기 수신용 초음파 변환기(12)를 구동시키기 위한 초음파 수신부(14)와, 상기 초음파 수신부(14)에 의해 구동된 전기적 신호를 시간함수로 변환시키기 위한 신호처리 모듈(15)과, 상기 신호처리 모듈(15)에서 변환된 전기적 신호를 분석하여 램파의 속도 및 골밀도를 계산하는 계산 모듈(14)과, 상기 계산 및 진단결과를 화면으로 나타내는 디스플레이부(15)로 이루어져 있다. 상기 초음파 변환기, 초음파 송수신부 등의 각각은 일반적으로 사용되는 구성요소이므로, 장치에 대한 구체적인 예를 기술하지는 않는다.Figure 1 shows a bone density measuring apparatus using a broadband band ultrasonic reflectance according to the present invention, the bone density measuring apparatus is a transmission
먼저, 도 1에 나타낸 송신용 초음파 변환기(11)는 200 kHz 중심주파수의 광대역 주파수 응답특성 및 25.4mm의 직경을 갖도록 제작된다. 또한, 램파 속도측정의 신뢰성 및 재현성을 위해 측정시 송신용 초음파 변환기(11)와 수신용 초음파 변환기(12) 사이의 거리가 고정되도록, 두 초음파 변환기들을 연결하는 고정장치가 이용될 수 있다. 이 고정장치로는 플라스틱에 의해 성형된 프레임 등을 들 수 있으며, 상기 프레임을 통해 두 초음파 변환기가 각각 설치되도록 하면 된다.First, the transmitting
도 1의 초음파 송신부(13) 및 송신용 초음파 변환기(11)는 200kHz의 주파수 및 일정한 길이를 갖는 초음파 파열음(tone burst)을 생성시킨다. 그리고, 도 1의 경골에 길이방향으로 조사된 초음파는, 그 전파속도가 경골을 구성하는 피질골의 두께에 따라 변화하는 램파의 특성을 가지고 전송된다.The
도 1의 수신용 초음파 변환기(12)와 초음파 수신부(14)에서 구동된 램파의 전기적 신호는 신호처리 모듈(15)에서 시간함수로 변환된다.The electrical signal of the lamb wave driven by the receiving
도 2는, 램파의 속도를 측정하기 위해 송신용 초음파 변환기(11)와 수신용 초음파 변환기(12) 사이의 거리가 50mm일 때 전송된 램파의 시간함수로서의 파형을 나타내는 그래프이다. 도 2의 파형으로부터 램파의 속도를 구하는 것은 매우 일반적인 과정이므로 상세한 기술은 생략한다. 또한, 전술한 거리(50mm)는 램파의 시간함수 파형을 구하는 하나의 실험예를 나타낸 것뿐이며, 거리에 따라 램파의 시간함수 파형이 달라지는 것은 당연할 것이다.FIG. 2 is a graph showing a waveform as a time function of a lamb wave transmitted when the distance between the transmitting
램파의 속도는 피질골의 골밀도에 의존하므로, 골밀도 변화를 민감하게 반영하는 변수로 이용될 수 있다. 이에 따라서, 측정된 램파의 속도와 직접 측정된 경골의 골밀도의 상관관계를 분석할 수 있는데, 이는 램파의 속도와 골밀도의 단순회귀분석실험을 통해 가능하다. 실험 결과, 다음 식 1과 같은 관계식을 얻을 수 있어, 램파의 속도로부터 골밀도를 용이하게 얻을 수 있다. 이러한 상관관계가 신뢰성을 얻기 위해서는 여러 회의 실험을 통해야 함은 물론이다.Since the speed of the lamb wave depends on the bone density of the cortical bone, it can be used as a variable reflecting the bone density change sensitively. Accordingly, it is possible to analyze the correlation between the measured lamb wave speed and the measured bone density of the tibia directly, which is possible through the simple regression analysis of the lamb wave speed and bone density. As a result of the experiment, the following relational expression can be obtained, and the bone density can be easily obtained from the ram wave speed. Of course, these correlations require several experiments to achieve reliability.
여기서, BMD 는 경골의 골밀도이고, SOS 는 램파의 속도이다. 이 경우, 계수(0.63)와 상수(-6.52)는, BMD와 SOS에 대한 다수의 실험 데이타에 대하여 각각의 잔차(residual)를 구하고 상기 잔차의 제곱합을 최소화시키는 기울기와 절편을 구하는 통상적인 방법에 의존했다.Where BMD is the bone density of the tibia and SOS is the velocity of the lamb wave. In this case, the coefficients (0.63) and constants (-6.52) are used in the conventional method of obtaining the respective residuals for a large number of experimental data on BMD and SOS, and the slope and intercept to minimize the sum of squares of the residuals. Depended on
도 1의 디스플레이부(17)에서는 램파의 속도 및 골밀도 측정결과 뿐만 아니라, T-score(젊은 성인의 평균 골밀도와의 비교치) 및 Z-score(동 연령층의 평균 골밀도와의 비교치)로부터 도출된 골다공증 진단결과가 화면으로 표시된다.In the
골다공증 환자의 경우, 램파의 속도는 골소실에 의한 골량 및 피질골 두께의 감소로 인하여 정상인의 경우에 비하여 매우 다른 값을 가지며, 측정된 램파의 속도와 골밀도의 선형적인 상관관계로부터 골밀도가 산출된다. 그러므로, 데이터베이스화된 젊은 성인의 평균 골밀도 및 동연령층의 평균 골밀도와 램파의 속도로부터 산출된 골밀도를 비교하여 골다공증을 용이하게 진단할 수 있다.In the case of osteoporosis patients, the rate of lamb wave is very different from that of normal people due to the decrease of bone loss and cortical bone thickness due to bone loss, and the bone density is calculated from the linear correlation between the measured lamb wave rate and bone density. Therefore, osteoporosis can be easily diagnosed by comparing the average BMD of the databased young adults, the average BMD of the same age group, and the BMD calculated from the speed of lamb wave.
상술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 피질골로 이루어진 인체의 경골에 램파를 조사하여 피질골의 골밀도를 측정하므로 골절의 위험도를 조기에 예측하는데 매우 효과적이라고 할 수 있다.According to the present invention having the above-described configuration, it can be said that it is very effective to predict the risk of fracture early because the bone density of the cortical bone is measured by irradiating lamb wave to the tibia of the human body made of cortical bone.
또한, 인체에 유해한 방사선 조사를 받지 않는다는 장점이 있다.In addition, there is an advantage that does not receive harmful radiation to the human body.
또한, 본 발명의 골밀도 측정법은, 측정방법이 간단할 뿐만 아니라 측정시간이 짧으므로 진단결과를 신속하게 알 수 있으며, 측정기의 휴대가 용이하고 가능한 많은 환자를 대상으로 값싸게 검진할 수 있다는 이점도 있다.In addition, the bone density measurement method of the present invention has the advantage that not only the measurement method is simple but also the measurement time is short, so that the diagnosis result can be quickly known, the portable device of the measuring device can be easily carried out, and the patient can be examined inexpensively as much as possible. .
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