KR101136814B1 - 적혈구를 추적입자로 이용한 혈류유동의 혈액 유변학적 인자 추정방법 - Google Patents
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Abstract
적혈구를 추적입자로 이용한 혈류유동의 혈액 유변학적 인자 추정방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 적혈구를 추적입자로 이용한 혈류유동의 혈액 유변학적 인자 추정방법은 혈액의 유변학적 인자를 추정할 수 있는 방법에 있어서, 입자영상 속도계측(PIV) 기법을 이용하여 혈관 내를 유동하는 적혈구에 대하여 일정한 시간 간격으로 2개의 혈류유동 영상을 촬영하고 저장하는 1단계; 상기 1단계에서 촬영된 각 영상에서 관찰된 적혈구 위치의 변위와 두 영상의 촬영시간 간격으로부터 순간 속도장을 계산하는 2단계; 상기 제2단계에서 계산된 복수개의 순간 속도장을 평균한 평균 속도장으로부터 커브 피팅 후 혈관의 반경 방향 좌표 함수인 속도장 분포함수 
를 결정하는 3단계; 상기 속도장 분포함수로부터 전단율 
를 결정하는 4단계; 상기 4단계에서 결정된 전단율로부터 혈액의 유변학적 특성을 판단하여 질병을 예측하는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.
Description
본 발명은 심혈관계 질환의 발생기전과 밀접한 연관이 있는 여러 가지 인자 중에서 혈액 유변학적 인자에 대한 정략적 정보를 생체 유체역학적 방법을 이용하여 확보할 수 있는 혈액의 유변학적 인자 추정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입자영상유속계(PIV, Particle Image Velocimetry) 기법을 이용하여 구한 혈류유동 속도장으로부터 전단율을 결정할 수 있는 적혈구를 추적입자로 이용한 혈류유동의 혈액 유변학적 인자 추정방법에 관한 것이다.
혈액유변학(Hemorheology)은 혈액이 지니고 있는 생물학적/화학적 특성과 혈류유동 사이의 상호작용과 혈관질환의 발생기전에 대한 기전학적 연구에서의 관계를 다루는 매우 중요한 분야로 다루어지고 있으며, 주로 혈액이 지니고 있는 성분의 특성에 의한 혈구의 변형성, 혈류유동에 의해 형성되는 혈관 벽과의 상호 작용을 다루는 학문이다. 혈액의 유변학적 특성을 결정짓는 주요 인자로는 적혈구의 응집성(Aggregation), 용적률(Hematocrit), 변형성(Deformability), 점도(Viscosity) 그리고 전단율(Shear Rate), 벽면 전단응력(Wall Shear Stress) 등이 있다.
그런데 특정 질병을 가지는 환자의 혈액은 정상인의 혈액과 다른 혈액 유변학적 특성(Hemorheological properties)을 나타내는 경향이 있다.
예를 들어, 당뇨병 환자의 경우 혈구의 변형성에 대한 변화가 정상혈액과 차이가 있으며, 말라리아에 감염된 환자의 경우 혈구의 응집성이 정상혈액과 확연하게 차이가 나는 것이 널리 알려져 있다. 이러한 적혈구의 응집성의 변화와 혈액의 점도의 상호작용은 혈류유동에 나쁜 영향을 미치게 된다.
구체적으로 혈액 내의 지질 성분 변화에 따라 혈액의 점도가 과도하게 상승하는 경우 혈관의 기하학적 형상이 급격하게 변화하는 영역에서 혈액의 흐름에 지배적인 영향을 미치게 되며, 고혈압, 신경장애, 동맥경화 등을 유발할 수 있으며 당뇨병 환자들의 경우도 혈액의 점도가 정상인의 점도보다 높은 것이 일반적이다.
적혈구의 용적율은 적혈구가 혈액 중에서 차지하는 체적비율을 말한다. 적혈구 용적율이 커지는 경우에도 혈액의 점도가 커진다. 빈혈 환자의 경우 일반인에 비해 적혈구 용적율이 낮은 것이 일반적이다.
그리고 적혈구의 변형성은 유동에 의해 형성되는 전단력과 같은 힘에 의해 적혈구가 변형되는 특성이다. 일반적으로 조혈모세포로부터 생성된 신선한 적혈구는 탄성력이 매우 우수하며, 혈관계를 순환한지 오랜 기간이 경과한 적혈구의 경우 탄력성이 급격하게 저하되게 된다.
이와 같은 적혈구는 탄력성이 좋은 유연한 멤브레인(Membrane)으로 형성되어 있기 때문에 혈액 속에 있는 적혈구의 모양은 쉽게 변형이 가능하여 적혈구보다 크기가 작은 모세혈관 속으로 적혈구가 통과할 수 있게 된다. 따라서 적혈구가 경화되어 변형성이 떨어지는 경우 신진대사 작용의 효율이 감소하게 되며, 말초혈관 질환을 포함하여 각종 심혈관계 질환을 일으키는 원인으로 작용하기도 한다.
한편, 혈액의 전단율이 커지면 혈관의 내막에 있는 혈소판 당단백질의 일부가 혈관벽으로부터 빠져나와 혈액 속의 혈소판과 달라붙어서 혈관 내벽에 고착된다. 이것은 혈관의 직경이 갑자기 감소하는 협착을 발생시키고 유로를 좁히는 결과를 초래하여 각종 질병을 야기한다.
따라서 혈액의 유변학적 특성을 판단하는 것은 환자의 질병을 초기에 진단하고 진행과정에 대한 예후 판단과정에 있어 매우 중요하다. 특히, 협착 부위에서의 혈액 유동의 유체역학적 특성에 대한 정보는 순환기 질환을 치료하는데 매우 중요하게 영향을 미칠 수 있다.
종래 혈액 유변학적 인자들 중 점도, 응집력, 용적율 등과 질병과의 상관관계들에 대한 연구는 많이 이루어져 왔으나 전단율, 전단 응력이 질병과 어떠한 관계가 있는지에 대한 연구는 거의 없는 편이다.
그리고 유체의 전단율이나 전단 응력을 구하는 것은 유체의 속도와 관련이 있으므로 종래 혈액의 속도를 측정하는 것과 관련된 문헌들이 다수 있다. 초음파나 방사선을 이용하여 적혈구의 속도를 측정하는 방법들이 공지되어 있다.
그러나 이러한 방법들은 복잡한 장비가 필요하고 시간적, 비용적으로 여러 가지 문제점이 있었다.
본 발명의 실시 예들은 PIV 기법에 의해 구해진 혈관 내의 적혈구 혈류유동 속도장 분포함수로부터 전단율을 결정하여 혈액의 유변학적 인자를 분석함으로써 질병을 판단, 예측할 수 있는 적혈구를 추적입자로 이용한 혈류유동의 혈액 유변학적 인자 추정방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 혈액의 유변학적 인자를 추정할 수 있는 방법에 있어서, 입자영상 속도계측(PIV) 기법을 이용하여 혈관 내를 유동하는 적혈구에 대하여 일정한 시간 간격으로 2개의 혈류유동 영상을 촬영하고 저장하는 1단계; 상기 1단계에서 촬영된 각 영상에서 관찰된 적혈구 위치의 변위와 두 영상의 촬영시간 간격으로부터 순간 속도장을 계산하는 2단계; 상기 제2단계에서 계산된 복수개의 순간 속도장을 평균한 평균 속도장으로부터 커브 피팅 후 혈관의 반경 방향 좌표 함수인 속도장 분포함수 
를 결정하는 3단계; 상기 속도장 분포함수로부터 전단율 
를 결정하는 4단계; 상기 4단계에서 결정된 전단율로부터 혈액의 유변학적 특성을 판단하여 질병을 예측하는 단계;를 포함하여 이루어지는 PIV를 이용한 혈액의 유변학적 인자 추정방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면 PIV를 이용하여 결정된 속도장 분포함수로부터 전단율을 구함으로써 혈액 유변학적 특성을 판단하여 혈관 질환을 진단하거나 예측할 수 있다. 이것은 실제 질병이 가장 흔하게 일어나는 경동맥이나 관상동맥에 적용하여 매우 효과적으로 질환을 진단하거나 예측할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 따른 적혈구를 추적입자로 이용한 혈류유동의 혈액 유변학적 인자 추정방법을 나타내는 순서도.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 있어서 적혈구를 추적입자로 활용하여 혈류유동 영상에서 순간 속도장 계산을 수행하는 과정을 도식적으로 나타내는 그림.
도 3은 협착이 발생한 실제 환자의 관상동맥 모형을 대상으로 혈관 내부의 혈류유동 속도 분포를 나타내는 그림.
도 4는 혈관의 반경에 따른 속도분포와 전단율을 나타내는 그래프.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 있어서 적혈구를 추적입자로 활용하여 혈류유동 영상에서 순간 속도장 계산을 수행하는 과정을 도식적으로 나타내는 그림.
도 3은 협착이 발생한 실제 환자의 관상동맥 모형을 대상으로 혈관 내부의 혈류유동 속도 분포를 나타내는 그림.
도 4는 혈관의 반경에 따른 속도분포와 전단율을 나타내는 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에 나타난 바는 본 발명의 전반적인 이해를 위해 제시된 것이므로 본 발명의 기술적 범위가 그것들에 한정되는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 구성 및 기능에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 따른 적혈구를 추적입자로 이용한 혈류유동의 혈액 유변학적 인자 추정방법을 나타내는 순서도이고, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 있어서 적혈구를 추적입자로 활용하여 혈류유동 영상에서 순간 속도장 계산을 수행하는 과정을 도식적으로 나타내는 그림이다.
1단계와 2단계는 PIV(Particle Image Velocimetry) 기법에 의한 순간 속도장을 계산하는 단계이다.
PIV는 입자영상 속도계측이라고도 하는데, 시간 간격 t 동안 움직인 추적입작드의 변위 정보를 영상입력장치에 저장한 후, 디지털 영상처리기법을 이용하여 입자변위를 계측하고 시간 간격 t로 나누어줌으로써 속도벡터를 추출하는 방법이다.
먼저, 1단계는 혈류유동 영상을 촬영하는 단계이다.
보통 적절한 추적입자를 선정하고, 광학 현미경을 이용하여 레이저 평면광을 만들어 계측하고자 하는 유동평면을 조사하며, CCD 카메라와 같은 영상입력장치를 평면광에 수직으로 설치하여 입자 영상을 취득한다.
도 2에 도시된 바를 참조하면, 본 발명에서는 적혈구를 추적입자로 활용하여 속도장을 추출한다. 적혈구는 혈관 내부를 흐르는 혈액 중에서 가장 많은 체적 비율을 차지하며 백혈구와 달리 자체적인 운동성을 지니지 않고 혈액의 흐름에 따라 이동하므로 PIV 기법에서 추적입자로서의 활용이 가능하다.
영상을 촬영하는 방법은 혈관 내부를 흐르는 적혈구에 대하여 일정 시간 간격을 두고 연속적으로 2개의 영상을 촬영하고 저장한다.
그리고 촬영된 2장의 원본 영상 중 일부 관심 있는 영역만을 한정하는 창을 선정한다.
이때, 사람의 혈관 내부를 직접 촬영할 수 있는 적절한 장치가 필요한데, 이것은 종래의 장비를 사용할 수도 있으나, 실제 사람의 혈관은 피부에 가려져 보이지 않으므로 투과하여 촬영할 수 있는 특수한 장비가 요구된다.
이러한 장비에 대한 구체적인 원리와 기능, 구조에 대한 것은 본 발명의 범위를 넘어서는 것이어서 상세한 설명을 생략한다.
다음으로 2단계는 순간 속도장을 계산하는 단계로서, 상기 1단계에서 촬영되어 저장된 각 영상에서 관찰되는 추적입자인 적혈구의 위치 변화량인 변위와, 촬영 시간 간격으로부터 순간 속도장을 계산하는 단계이다.
도 2에 도시된 바와 같이 제1 영상에서 관찰되는 적혈구가 제2 영상에서 
만큼 변위가 발생하는데, 여기에 
로 나누어 줌으로써 순간 속도장을 계산한다.
순간 속도장 계산은 알려진 FFT(Fast Fourier Transform)에 기초한 상호상관기법(Cross Correlation)을 활용하여 계산할 수 있다.
다음으로 3단계는 상기 2단계에서 계산된 순간 속도장을 평균하여 평균 속도장을 결정하고 이로부터 혈관의 특정 위치의 속도장 분포함수를 결정하는 단계이다.
상기 2단계에서 혈관의 특정 위치에서 촬영하는 작업을 수회 실시하여 얻어진 다수개의 순간 속도장을 평균하여 평균 속도장을 구할 수 있다.
이렇게 얻어진 평균 속도장으로부터 혈관의 특정 위치의 단면에서 속도장 분포를 알 수 있게 되며 이를 근거로 적절한 속도장 분포함수는 
와 같이 혈관의 반경 혹은 폭과 같은 횡방향 좌표의 함수로 나타내질 수 있다. 여기서, U는 속도장 분포함수, r은 혈관의 반경을 나타낸다.
실제, 획득한 다수개의 평균 속도장 데이터로부터 커브 피팅과 같은 방법에 의하면 포물선 형태의 속도장 분포함수를 매끄럽게 구할 수 있음은 물론이다.
다음으로 4단계는 상기 3단계에서 결정된 속도장 분포함수로부터 전단율을 결정하는 단계이다.
일반적으로 전단율은 유체의 두 평행면 사이의 속도차를 의미하는데, 전단율이 크다는 의미는 유속이 급격하게 변하는 것을 의미한다.
전단율의 특성으로부터 유체의 유동 특성을 파악할 수 있게 되므로, 혈관 내의 전단율 변화로부터 혈액의 유동 특성을 파악하고 이로부터 질병이 있는 혈관을 판단하거나 예측할 수 있는 것이다.
전단율은 앞서 결정된 속도장 분포함수 U를 r에 대하여 1차 미분함으로써 얻어지며, 
로 나타낼 수 있다. 여기서, 
는 혈관의 특정 위치의 단면에서의 전단율을 의미한다.
다음으로 5단계는 상기 4단계에서 결정된 혈액의 유변학적 인자인 전단율로부터 질병을 진단하고 예측하는 단계이다.
예를 들어, 정상인 혈관의 전단율과 질병이 있는 비교 분석 대상 혈관의 전단율을 비교하여 유변학적 특성을 판단할 수 있다.
도 3은 미세 협착관 내부의 속도 분포를 나타내는 사진이다. 여기서, X는 주 유동방향이고, Y는 반경 유동방향이다.
또 도 4는 혈관의 반경에 따른 속도분포와 전단율을 나타낸 그래프이다. 도 4에서 Umax는 최대 속도이고 u는 속도 분포함수이며, R은 혈관 측정 단면의 반경이고 r은 반경 방향 좌표이다. 그리고 적색 그래프와 청색 그래프는 유량에 따른 속도분포와 전단율 분포를 나타낸다.
도 3에서 질병이 발생하여 혈관 내부에 유로가 좁아지는 협착 부분이 존재하는 경우 협착 부분에서 최대속도를 가짐을 볼 수 있다.협착 입구에서 유속이 가속되면서 급격히 증가하고 목(Neck) 부분에서 최대값을 가진 후 하류로 나아감에 따라 반경이 커져 유속이 급격히 감소한다.
또 협착의 중심으로 진행될수록 전단율이 커지고, 도 4를 참조하면, 벽면에 근접할수록 커진다.
즉, 질환이 생겨 협착이 생긴 혈관에서 혈액의 유동 특성은 속도가 커지고 전단율이 커지는 것을 알 수 있다.
따라서, 전단율로부터 어떤 질환이 존재한다고 진단하거나 그러한 증상이 전단율의 변화로부터 미래의 질환을 예측할 수 있을 것이다.
참고로 혈액의 유변학적 인자 중에 전단율 외에 점성계수, 벽면전단 응력도 속도장과 밀접한 관련이 있으므로 이들의 변화에 따라 여러 질병의 진단, 예측이 용이하게 이루어질 수 있다.
본 발명은 실제 질병이 가장 흔하게 일어나는 경동맥이나 관상동맥에 적용하여 매우 효과적으로 질환을 진단하거나 예측할 수 있다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 하기의 특허청구범위에서 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
U : 속도장 분포함수
r : 혈관의 반경
: 전단율
r : 혈관의 반경
Claims (1)
- 혈액의 유변학적 인자를 추정할 수 있는 방법에 있어서,
입자영상 속도계측(PIV) 기법을 이용하여 혈관 내를 유동하는 적혈구에 대하여 일정한 시간 간격으로 2개의 혈류유동 영상을 촬영하고 저장하는 1단계;
상기 1단계에서 촬영된 각 영상에서 관찰된 적혈구 위치의 변위와 두 영상의 촬영시간 간격으로부터 순간 속도장을 계산하는 2단계;
상기 제2단계에서 계산된 복수개의 순간 속도장을 평균한 평균 속도장으로부터 커브 피팅 후 혈관의 반경 방향 좌표 함수인 속도장 분포함수를 결정하는 3단계;
상기 속도장 분포함수로부터 전단율를 결정하는 4단계;
상기 4단계에서 결정된 전단율로부터 혈액의 유변학적 특성을 판단하여 질병을 진단하거나 예측하는 단계;를 포함하여 이루어지는 적혈구를 추적입자로 이용한 혈류유동의 혈액 유변학적 인자 추정방법.(단, U는 속도장 분포함수, r은 혈관의 반경,는 전단율)
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| KR1020100122953A KR101136814B1 (ko) | 2010-12-03 | 2010-12-03 | 적혈구를 추적입자로 이용한 혈류유동의 혈액 유변학적 인자 추정방법 |
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ID=46143748
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