KR100746274B1

KR100746274B1 - 측정대상 내부를 영상화하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100746274B1
Application number: KR1020060016214A
Authority: KR
Inventors: 권오인; 이병일; 박춘재
Original assignee: 경희대학교 산학협력단; 권오인; 이병일; 박춘재
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2007-08-06

Abstract

본 발명은 측정대상 내부의 전기적 특성을 정확하게 영상화하기 위한 것으로, 측정대상에 전류가 주입되는 동안에 상기 측정대상 내의 공간주파수를 검출하고, 전류가 주입되지 않는 동안에 상기 측정대상 내의 공간주파수를 검출하는 단계와; 상기 두 공간주파수의 차를 계산하는 단계와; 상기 계산된 공간주파수의 차를 근거로 하여 상기 측정대상에 전류가 주입되는 동안에 발생하는 상기 측정대상 내의 자속밀도를 계산하는 단계와; 상기 계산된 자속밀도를 근거로 하는 영상을 디스플레이하는 단계를 포함한다.

공간주파수, 자속밀도, 도전율, 전류밀도, MRI

Description

측정대상 내부를 영상화하는 장치 및 방법{Apparatus and Method for visualizing a inside of object}

도 1은 본 발명의 측정대상 내부를 영상화하는 장치의 구성을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 측정대상 영상화 장치의 신호들의 파형을 나타낸 도면이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 전류주입수단 200 : MRI 장치

300 : 연산부 400 : 디스플레이 수단

500 : 전류원

본 발명은 인체나 물체 등과 같은 측정대상 내부의 전기적 특성을 영상화하는 방법 및 그를 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로 인체 또는 물체의 내부 구조를 영상화하는데는 X-선, MRI, 초음파 등이 사용되고 있다. 그러나 이들 방법들은 인체 또는 물체의 전기적 특성을 영상화하지는 못한다. 이러한 문제를 해결하기 위한 노력으로, 1989년에는 MRI 기술 을 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. 기존의 CDI 기술은 자속밀도 B를 MRI 기술을 이용하여 측정하고, 암페어 법칙을 근거로 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 B_z만이 측정 가능하기 때문이다. 즉 MRI 장비가 한 번에 측정 가능한 성분은 B_Z 성분 하나이기 때문에, 기존의 CDI 기술은 세 방향성분의 자속밀도 벡터 값을 모두 획득하기 위하여 MRI 장비 내에서 측정대상(인체 또는 물체)을 회전시켜야 한다는 심각한 문제점을 가지고 있다.

또한 인체 또는 물체의 전기적 특성을 영상화하기 위한 기존 기술로는, 1970년대 말부터 활발히 연구되어온 전기임피던스 단층촬영(EIT : Electrical Impedance Tomography) 기술이 있다. 이 EIT 기술은 측정대상의 전기적 특성을 나타내는 저항률 (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 다 시 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 갖을 뿐만 아니라 측정대상의 전류-전압 데이터를 검출하는 동안에는 측정대상 내부에 전류가 주입되지 않기 때문에 상기 검출되는 전류-전압 데이터가 미약해지거나 소멸한다. 따라서 측정대상 내부의 전기적 특성을 정확히 검출해 내는 것이 어렵다. 또한, EIT 기술에 기존의 CDI 기술을 적용한다 하더라도, 측정대상(인체 또는 물체)을 회전시켜야 하기 때문에 기술적 문제점을 해결할 수 없다.

본 발명의 목적은 상기한 기존의 기술들의 단점을 보완하기 위해 안출한 것으로써, 측정대상에 전류를 주입하는 시간을 연장하고 그 연장된 시간동안 검출된 데이터를 이용하여 측정대상의 전기적 특성을 정확하고 뚜렷하게 영상화하는 측정대상 영상화 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 측정대상 영상화 장치는, 측정대상의 표면에 부착되어 전류를 주입하는 다수의 전류주입수단들과; 상기 측정대상 내의 공간주파수를 검출하는 신호 검출부와; 상기 측정대상에 전류가 주입되는 동안에 검출되는 공간주파수와 전류가 주입되지 않는 동안에 검출되는 공간주파수의 차를 계산하고, 상기 두 공간주파수들 간의 차를 근거로 하여 전류가 주입되는 동안에 발생하는 상기 측정대상 내부의 자속밀도를 계산하는 연산부와; 상기 계산된 자속밀도를 근거로 하는 영상을 디스플레이하는 디스플레이 수단을 포함한다.

상기 연산부는, 상기 공간주파수의 차를 역 푸리에 변환하고, 상기 역 푸리에 변환된 상기 공간주파수의 차를 상기 측정대상 내부의 수소 원자 스핀 밀도로 나누어서 상기 자속밀도를 계산한다. 여기서, 상기 연산부는 전류가 주입되지 않는 동안에 검출된 상기 공간주파수를 근거로 하여 상기 측정대상 내부의 수소 원자 스핀 밀도를 계산한다.

본 발명의 측정대상 영상화 방법은, 측정대상에 전류가 주입되는 동안에 상기 측정대상 내의 공간주파수를 검출하고, 전류가 주입되지 않는 동안에 상기 측정대상 내의 공간주파수를 검출하는 단계와; 상기 두 공간주파수의 차를 계산하는 단계와; 상기 계산된 공간주파수의 차를 근거로 하여 상기 측정대상에 전류가 주입되는 동안에 발생하는 상기 측정대상 내의 자속밀도를 계산하는 단계와; 상기 계산된 자속밀도를 근거로 하는 영상을 디스플레이하는 단계를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 영상화 시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 영상화 시스템은, 동물, 인체, 물체 등과 같은 측 정대상(S)의 내부에 여러 방향(j=1,2,...N)의 전류들을 차례로 주입하는 다수의 전류주입수단(100)들과, 상기 측정대상(S) 내의 공간주파수 신호를 측정하는 신호 검출부(200)와, 상기 측정대상(S)에 전류가 주입되는 동안 검출된 상기 측정대상(S)의 공간주파수 신호를 이용하여 상기 측정대상(S) 내의 자속밀도 한 방향 성분을 계산하는 연산부(300)와, 상기 계산된 자속밀도 한 방향 성분을 근거로 하여 계산된 도전율 및 전류밀도를 영상화하는 디스플레이 수단(400)과, 상기 전류주입수단(100)에 전류를 제공하는 전류원(500)을 포함한다.

상기 전류주입수단(100)은, 구리와 같은 비자성의 금속이나 도전율이 매우 큰 재료로 이루어진 전극과, 상기 전극에 전류를 공급하는 도선(wire)을 포함한다. 상기 측정대상(S)의 표면에 상기 전극을 직접적으로 부착시키는 것이 가능하지만, 상기 측정대상(S)의 표면(boundary)에서 자속밀도의 왜곡을 방지하기 위해 상기 전극을 상기 측정대상(S)의 표면으로부터 이격(separate)시키는 것이 바람직하다. 일 예로, 상기 전극을 상기 측정대상(S)으로부터 이격시키기 위해 상기 전극에 부착되는 절연용기가 제안된다. 상기 절연용기의 한쪽 면은 상기 전극에 부착되고, 다른 면은 개방된 상태로 상기 측정대상(S)과 접촉한다. 그리고 상기 절연용기의 내부에는 전해질 젤이나 전해질 용액을 흡수한 스폰지가 삽입되어져 있다. 전해질 젤(gel)이나 전해질 용액을 흡수한 스폰지는 전극으로부터 공급되는 전류가 상기 절연용기 내에 균일하게 흐르게 한다.

상기 전류주입수단(100)들은 측정대상(S)의 둘레에 부착되고, 한번에 두 개의 전류주입수단(100)에만 전류가 흐르게 된다. 따라서 두 개의 전류주입수단(100) 에 의해 상기 측정대상(S)내에 전류가 공급된다. 상기 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(S)의 쌍 사이의 주입 전류를 I ^j(j=1,2,...N)라고 한다. 상기 전류 I ^j는 상기 측정대상(S) 내에서 전압, 전류 밀도 J ^j=(J ^j x, J ^j y, J ^j z), 상기 측정대상(S) 내부 및 외부에서 자속밀도를 발생시킨다.

상기 신호 검출부(200)의 예로써, 측정대상(S) 내부의 전기적 특성을 측정할 수 있는 MRI 장치가 사용된다. 상기 신호 검출부(200)는 상기 측정대상(S)에 전류가 주입되는 동안 및 전류가 주입되지 않은 동안에 내부의 공간 주파수, 특히 상기 신호 검출부(200) 내부에 위치한 상기 측정대상(S)의 공간 주파수를 측정한다.

상기 연산부(300)는 상기 측정대상(S) 내부의 전기적 특성을 정확하게 검출하기 위해서 긴 시간 동안 상기 측정대상(S)에 전류를 주입하도록 한다. 종래의 기술로는 상기 측정대상(S)에 전류가 주입되는 동안에는 상기 측정대상(S) 내부의 전기적 특성을 검출할 수가 없다. 왜냐하면, 상기 측정대상(S)에 주입되는 전류는 상기 측정대상(S) 내의 수소 원자들의 위상을 변화시키므로 불필요한 잡음을 발생시키기 때문이다. 그러나 본 발명의 연산부(300)는 전류가 주입되는 동안 및 전류가 주입되지 않는 동안에 각각 상기 측정대상(S) 내부의 공간 주파수를 측정하고, 상기 측정된 공간 주파수들을 이용하여 상기 주입 전류에 의한 잡음 성분이 제거된 자속밀도, 특히 z 방향의 자속밀도를 계산하고, 상기 계산된 자속밀도를 설정된 알 고리즘에 적용하여 상기 측정대상(S)의 내부를 영상화한다.

본 발명에 따른 영상화 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 측정대상(S)의 둘레, 예를 들어 신체의 둘레에 다수의 전류주입수단(100)을 부착하고, 상기 측정대상(S)을 신호 검출부(200) 내에 위치시킨다. 상기 측정대상(S)는 상기 신호 검출부(200)의 주자장 방향(z 방향)과 일치하도록 배치된다. 그리고, 상기 연산부(300)가 상기 신호 검출부(200)에 RF 펄스(A)를 인가한 후, 상기 연산부(300)는 상기 전류주입수단(100) 쌍을 하나씩 차례로 선택하고, 도 2에 도시된 바와 같이 설정된 시간(Tc+Ts) 동안 차례로 선택되는 상기 전류주입수단(100) 쌍을 통해 상기 측정대상(S) 내부에 전류 I ^j (j=1,2,...N)를 반복적으로 공급한다. 상기 전류주입수단(100)은 RF 펄스(A)가 발생한 직후부터 상기 측정대상(S) 내부의 공간주파수를 측정하는 동안까지 상기 측정대상(S)에 계속해서 전류를 주입한다. 여기서, 상기 Tc는 전류를 주입하고 공간주파수를 측정하지 않는 제 1 시간이라 하고, 상기 Ts는 전류를 주입하고 공간주파수를 측정하는 제 2 시간이라 한다.

상기 측정대상(S) 내에 전류가 충분히 유입될 수 있는 일정시간, 예를 들어 제 1 시간(Tc)이 경과하면, 상기 연산부(300)는 상기 제 2 시간(Ts) 동안 상기 측정대상(S) 내부의 공간 주파수 S¹을 측정하도록 상기 신호 검출부(200)를 제어한다. 상기 신호 검출부(200)가 공간 주파수를 측정하는 동안 상기 측정대상(S)에 계속해서 전류가 인가된다. 상기 신호 검출부(200)는 상기 공간 주파수 S¹을 측정하기 위 해서 경사자계 기울기 Gx에 따라 상기 측정대상(S) 내부의 공간 주파수를 부호화한다.

도 2에서 상기 공간주파수 측정을 시작하는 시간과 전류 주입을 시작하는 시간이 다르고 상기 공간 주파수 측정을 종료하는 시간과 전류 주입을 종료하는 시간이 동일하지만, 이들은 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 전류를 주입하는 구간과 공간주파수를 측정하는 구간은 동일할 수 있다. 단지, 전류가 주입되는 동안에 공간주파수를 검출하는 것이 중요하다.

상기 신호 검출부(200)에 의해 푸리에(fourier) 변환된 형태로 측정된 공간 주파수 S¹(k_x, k_y)를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서, R²는 이차평면, ρ는 수소 원자의 스핀(spin) 밀도,

는 회전 자기 계수(gyro magnetic coefficient), Gx와 Gy는 경사자계(field gradient)의 기울기이다.

상기 측정된 공간주파수 S¹(k_x, k_y)은 상기 제 1 시간(Tc) 동안 발생하는 자속밀도 성분

과 상기 제 2 시간(Ts) 동안 발생하는 자속밀도 성분, 즉 상기 제 2 시간(Ts) 동안 주입된 전류에 의한 잡음 성분

을 포함한다. 따라서, 이 잡음 성분을 제거해야만 정확한 데이터를 얻을 수 있다. 본 발명에서는 상기 잡음 성분을 분리하기 위하여 전류가 인가되지 않는 경우의 공간 주파수 S⁰를 이용한다. 예를 들어, 상기 공간주파수 S⁰는 전류가 주입되는 시간(Tc+Ts)의 이전 또는 이후에 측정함으로써 얻어질 수 있다. 상기 공간주파수 S⁰는 전류가 주입되지 않을 때 측정되므로 자속밀도 성분 및 주입전류에 의한 잡음성분을 포함하지 않는다. 상기 공간주파수 S⁰을 수식으로 표현하면 다음과 같다.

상기 연산부(300)는 잡음 성분을 분리하기 위해서 상기 측정된 공간주파수 S¹와 상기 공간주파수 S⁰의 차를 계산한다. 상기 두 공간주파수 S¹, S⁰의 차는 다음과 같이 표현된다.

상기 계산된 두 공간주파수 S¹, S⁰의 차를 자속밀도를 계산하기 위한 수식으로 표현하면 다음과 같다.

즉, 상기 연산부(300)는 상기 두 공간주파수 S¹, S⁰의 차를 적분인자와 관련없는 성분(제 1, 2 시간과 관련된 성분)

으로 나누고, 그 값을 역 푸리에 변환하여

를 계산한다. 여기서,

는 전류가 주입되지 않을 때 측정된 상기 공간주파수 S⁰를 역 푸리에 변환하여 얻을 수 있기 때문에, 최종적으로 상기 측정대상(S) 내부의 자속밀도 한 방향 성분

값을 얻을 수 있다.

상기 자속밀도의 한 방향 성분

이 얻어지면, 상기 연산부(300)는 상기 자속 밀도의 한 방향 성분과 상기 측정대상(S)의 표면 전압

을 설정된 알고리즘에 적용하여 상기 측정대상(S) 내부의 도전율 σ과 전류밀도 J ^j를 계산한다. 그리고, 상기 연산부(300)는 상기 계산된 도전율 σ의 영상 또는 상기 계산된 전류밀도 J ^j의 영상을 디스플레이 수단(400)에 디스플레이한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 측정대상에 전류를 주입하는 동안에도 데이터 를 검출하기 때문에 뚜렷하고 정확한 영상 데이터를 얻을 수 있다. 그리고, 전류 주입으로 인해 발생하는 잡음 성분을 효과적으로 제거하므로 오차가 없는 영상 데이터를 얻을 수 있다.

따라서, 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

측정대상의 표면에 부착되어 전류를 주입하는 다수의 전류주입수단들과;

상기 측정대상 내의 공간주파수를 검출하는 신호 검출부와;

상기 측정대상에 전류가 주입되는 동안에 검출되는 공간주파수와 전류가 주입되지 않는 동안에 검출되는 공간주파수의 차를 계산하고, 상기 두 공간주파수들 간의 차를 이용하여 전류가 주입되는 동안에 발생하는 상기 측정대상 내부의 자속밀도를 계산하는 연산부와;

상기 계산된 자속밀도를 이용하여 상기 측정대상의 내부를 영상화하는 디스플레이 수단을 포함하는 측정대상 내부를 영상화하는 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 연산부는,

상기 공간주파수의 차를 역 푸리에 변환하고, 상기 역 푸리에 변환된 상기 공간주파수의 차를 상기 측정대상 내부의 수소 원자 스핀 밀도로 나누어서 상기 자속밀도를 계산하는 것을 특징으로 하는 측정대상 내부를 영상화하는 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 연산부는,

전류가 주입되지 않는 동안에 검출된 상기 공간주파수를 이용하여 상기 측정대상 내부의 수소 원자 스핀 밀도를 계산하는 것을 특징으로 하는 측정대상 내부를 영상화하는 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 계산된 자속밀도는 상기 측정대상 내부에서 발생하는 자속밀도의 한 방향 성분인 것을 특징으로 하는 측정대상 내부를 영상화하는 장치.
측정대상에 전류가 주입되는 동안에 상기 측정대상 내의 공간주파수를 검출하고, 전류가 주입되지 않는 동안에 상기 측정대상 내의 공간주파수를 검출하는 단계와;

상기 두 공간주파수의 차를 계산하는 단계와;

상기 계산된 공간주파수의 차를 이용하여 상기 측정대상에 전류가 주입되는 동안에 발생하는 상기 측정대상 내의 자속밀도를 계산하는 단계와;

상기 계산된 자속밀도를 이용하여 상기 측정대상 내부를 영상화하는 단계를 포함하는 측정대상 내부를 영상화하는 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 계산된 공간주파수의 차를 이용하여 상기 측정대상에 전류가 주입되는 동안에 발생하는 상기 측정대상 내의 자속밀도를 계산하는 단계는,

상기 두 공간주파수의 차를 역 푸리에 변환하는 단계와,

상기 역 푸리에 변환된 상기 공간주파수의 차를 상기 측정대상 내부의 수소 원자 스핀 밀도로 나누어서 상기 자속밀도를 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 측정대상 내부를 영상화하는 방법.
제 6 항에 있어서,

전류가 주입되지 않는 동안 검출된 상기 공간주파수를 이용하여 상기 측정대상 내부의 수소 원자 스핀 밀도를 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 측정대상 내부를 영상화하는 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 계산된 자속밀도는 상기 측정대상 내부에서 발생하는 자속밀도의 한 방향 성분인 것을 특징으로 하는 측정대상 내부를 영상화하는 방법.