KR101288082B1 - 프랙탈 차원값을 이용한 전립선암 진단기 및 전립선암 진단정보 제공 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 여기 레이저 광을 조사하는 반도체 레이저, 인체 내의 생검 조직으로 상기 여기 레이저 광을 조사하고, 상기 생검 조직에서 발생된 자가 형광을 수광하는 내시경, 상기 여기 레이저 광을 상기 내시경측으로 송광하고, 상기 내시경으로부터 생검 조직에서 발생된 자가 형광을 수광하는 광학부, 상기 광학부에 수광된 상기 자가 형광을 검출하고 단일 펄스에 대응한 단일 포톤의 세기를 측정하여 시간 의존적인 상기 자가 형광 세기(이하 "자가 형광 측정치"라고 함)를 검출하는 검출부, 그리고, 그리고 상기 자가 형광 측정치를 프랙탈 차원 알고리즘을 이용하여 프랙탈 차원값을 산출하는 진단부를 포함하는 프랙탈 차원값을 이용한 전립선암 진단기 및 이를 이용한 진단방법에 관한 것이다.

Description

프랙탈 차원값을 이용한 전립선암 진단기 및 전립선암 진단정보 제공 방법{Prostate cancer diagnosis device using Fractal dimension value and method for providing prostate cancer diagnosis information}

본 발명은 전립선암에 대한 진단기 및 전립선암 진단정보 제공 방법에 관한 것으로, 특히, 프랙탈 차원값을 이용한 전립선암 체내진단기 및 전립선암 진단정보 제공 방법이다.

일반적으로, 전립선암 진단을 위한 종래의 의료기기는 광원 제공장치로 가스 레이저 특히, 질소(N₂) 가스 레이저를 사용하고 있다. 질소 가스 레이저는 337.1nm의 자외선 범위에서 동작하고 전기 방전에 의해 펌핑하는 레이저로서, 가격이 저렴한 장점이 있다.

그런데 이러한 질소가스 레이저는 펄스 진폭이 불균일하여 출력이 불안정하고, 그로 인해 측정 데이터 값이 불안정하여 진단 결과에 대한 민감도가 낮다. 또한 종래의 전립선암 진단용 의료기기는 가스 레이저와 분광기(spectroscopy)를 사용하기 때문에 장비가 크다는 단점이 있다.

그리고 전립선암 진단용 의료기기는 생체 표지자(biomarker)를 이용하기 때문에 진단 결과를 얻기까지 상당 시간이 소요되며, 방사선 동위 원소를 이용한 진단에서는 방사선에 대한 노출의 우려가 있다.

그리고 전립선암 진단을 위한 병리학자를 통한 조직 검사에서는 병리학자의 주관적 판단에 의한 오판의 우려가 있을 수 있으며, 병리학자에 의한 판단 결과를 토대로 진단에서 치료까지 상당히 긴 수술 시간을 요구한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전립선암에 대한 빠르고 정확하면서도 객관적인 진단 결과를 제공하는 프랙탈 차원값(Fractal dimension value)을 이용한 전립선암 진단기 및 전립선암 진단정보 제공 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 생체표지자를 사용하지 않고 반도체 레이저를 이용하여 전립선암 진단이 가능한 프랙탈 차원값(Fractal dimension value)을 이용한 전립선암 진단기 및 전립선암 진단정보 제공 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 일 특징에 따른 본 발명은 프랙탈 차원값을 이용한 전립선암 진단기를 제공한다. 이 전립선암 진단기는 여기 레이저 광을 조사하는 반도체 레이저, 인체 내의 생검 조직으로 상기 여기 레이저 광을 조사하고, 상기 생검 조직에서 발생된 자가 형광을 수광하는 내시경, 상기 여기 레이저 광을 상기 내시경측으로 송광하고, 상기 내시경으로부터 생검 조직에서 발생된 자가 형광을 수광하는 광학부, 상기 광학부에 수광된 상기 자가 형광을 검출하고 단일 펄스에 대응한 단일 포톤의 세기를 측정하여 시간 의존적인 상기 자가 형광 세기(이하 "자가 형광 측정치"라고 함)를 검출하는 검출부, 그리고 상기 자가 형광 측정치를 프랙탈 차원 알고리즘을 이용하여 프랙탈 차원값을 산출하는 진단부를 포함한다.

상기에서 진단부는 상기 산출한 프랙탈 차원값에 대응된 글리슨 점수를 파악하는 기능을 더 가지는 것을 특징으로 한다.

상기에서 프랙탈 차원 알고리즘은 상기 자가 형광 측정치를 I(t)라고 하면, 상기 I(t)의 최대치가 설정 기준 세기(Iref)보다 큰 I(t)를 대상으로 선정하는 과정, 상기 선정된 I(t)를 모델링 함수인 F(t)를 이용하여 리니어(linear)한 값으로 근사화 모델링하는 과정, 상기 F(t)의 최대값(Fmax)에서 상기 I(t)의 감쇄 구간의 측정값을 뺀 차이값을 나타내는 상관함수를 산출하는 과정, 상기 상관함수를 프랙탈 모델로 모델링한 후 로그함수로 치환하는 과정, 상기 로그함수의 값이 나타내는 곡선의 기울기(이하 "제1 기울기"라 함)에 해당하는 프랙탈차원 함수를 산출하되, 상기 제1 기울기는 시작 시간과 가변 시간길이에 의해 결정되는 과정, 상기 프랙탈차원 함수에 대해 상기 가변 시간길이를 고정한 상태에서, 상기 시작 시간을 가변시켜 제1 프랙탈차원 함수값을 산출하고, 산출한 상기 제1 프랙탈차원 함수값의 최소값에 대응하는 제1 시작 시간을 파악하는 과정, 상기 프랙탈차원 함수에 대해 상기 시작 시간을 상기 제1 시작 시간으로 고정한 상태에서, 상기 가변 시간길이를 가변시켜 제2 프랙탈차원 함수값을 산출하고, 산출한 상기 제2 프랙탈차원 함수값의 최소값을 상기 프랙탈 차원값으로 결정하는 과정을 포함한다.

이때, 상기 프랙탈 차원 알고리즘은 상기 제2 프랙탈차원 함수값을 미분하고, 미분한 상기 제2 프랙탈차원 함수의 평탄화 구간(P) 내의 최소값을 상기 프랙탈 차원값으로 결정하는 과정을 더 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 특징에 따른 본 발명은 프랙탈 차원값을 이용한 전립선암 진단정보 제공 방법을 제공한다. 이 전립선암 진단정보 제공 방법은 상기 여기 레이저 광을 내시경을 통해 인내 내의 생검 조직에 송광하고, 상기 생검 조직에서 발생된 자가 형광을 수광하는 단계, 상기 광학부에 수광된 상기 자가 형광을 검출하고 단일 펄스에 대응한 단일 포톤의 세기를 측정하여 시간 의존적인 상기 자가 형광 세기(이하 "자가 형광 측정치"라고 함)를 검출하는 단계, 그리고 상기 자가 형광 측정치를 프랙탈 차원 알고리즘을 이용하여 프랙탈 차원값을 산출하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 트랙탈 차원값을 이용한 전립선암 진단정보 제공 방법은 상기 산출한 프랙탈 차원값에 대응된 글리슨 점수를 파악하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기에서 프랙탈 차원값을 산출하는 단계는 상기 자가 형광 측정치를 I(t)라고 하면, 상기 I(t)의 최대치가 설정 기준 세기(Iref)보다 큰 I(t)를 대상으로 선정하는 제1 서브단계, 상기 선정된 I(t)를 모델링 함수인 F(t)를 이용하여 리니어(linear)한 값으로 근사화 모델링하는 제2 서브단계, 상기 F(t)의 최대값(Fmax)에서 상기 I(t)의 감쇄 구간의 측정값을 뺀 차이값을 나타내는 상관함수를 산출하는 제3 서브단계, 상기 상관함수를 프랙탈 모델로 모델링한 후 로그함수로 치환하는 제4 서브단계, 상기 로그함수의 값이 나타내는 곡선의 기울기(이하 "제1 기울기"라 함)에 해당하는 프랙탈차원 함수를 산출하되, 상기 제1 기울기는 시작 시간과 가변 시간길이에 의해 결정되는 제4 서브단계, 상기 프랙탈차원 함수에 대해 상기 가변 시간길이를 고정한 상태에서, 상기 시작 시간을 가변시켜 제1 프랙탈차원 함수값을 산출하고, 산출한 상기 제1 프랙탈차원 함수값의 최소값에 대응하는 제1 시작 시간을 파악하는 제5 서브단계와, 상기 프랙탈차원 함수에 대해 상기 시작 시간을 상기 제1 시작 시간으로 고정한 상태에서, 상기 가변 시간길이를 가변시켜 제2 프랙탈차원 함수값을 산출하고 산출한 상기 제2 프랙탈차원 함수값의 최소값을 상기 프랙탈 차원값으로 결정하는 제6 서브단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 프랙탈 차원값을 산출하는 단계는 상기 제2 프랙탈차원 함수값을 미분하고, 미분한 상기 제2 프랙탈차원 함수의 평탄화 구간 내 최소값을 상기 프랙탈 차원값으로 결정하는 제7 서브단계를 더 포함하는 할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 전립선암에 대한 진단 시간을 최소화하여 진단에서 치료까지 획기적인 시간 단축을 모색할 수 있게 한다.

또한 본 발명의 실시 예에 따르면, 반도체 레이저를 통한 인체에 무해한 방법을 이용하여 조직 검사에 대한 객관적 진단 결과를 제공한다.

또한 본 발명의 실시 예에 따르면, 전립선암을 진단할 시 비침습적이고 고통을 수반하지 않아 환자에게 거부감이 없으며, 병리학자의 편의를 도모할 수 있고, 수술실에서의 긴박감과 초조함을 해소할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전립선암 진단기의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전립선암 진단기의 광학 구성을 보인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전립선암 진단기의 광학 구성에 대한 상세 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 프랙탈 차원값을 이용한 전립선암 진단정보 제공 방법을 보인 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 프랙탈 차원값의 산출 과정을 보인 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 측정치와 이의 모델링값을 보인 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 Fmax값을 기준으로 한 감쇄구간의 측정값들간 상관관계를 보인 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 상관관계를 로그 차원으로 변환한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 가변시간을 고정시킨 상태에서의 프랙탈 차원값을 통해 시작 시간을 찾는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 시작 시간을 고정시킨 상태에서의 프랙탈 차원값과 미분값을 통해 프랙탈 차원값을 찾는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 프랙탈 차원값과 글리슨 점수와의 상관관계를 보인 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명의 실시 예는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이제, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 프랙탈 차원값을 이용한 전립선암 진단기 및 전립선암 진단정보 제공 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 체내진단기의 블록 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 TCSPC 기법을 이용한 전립선암 체내진단기(100)는 광원부(110), 광학부(120), 검출부(130), 진단부(140)와, 내시경(150)을 포함한다.

광원부(110)는 파장이 375nm인 여기광을 조사한다.

광학부(120)는 광원부(110)의 여기광을 내시경(150)측으로 전달하여 측정할 전립선에 집광되게 하고, 전립선에 의한 자가 발광(auto-fluorescence)을 검출부(130)로 집광되게 한다.

여기서, 전립선 시료(A)의 단백질 내에는 NADH(Nicotinamide adenine dinucleotide)라는 고유 형광물질을 가지고 있으며, NADH는 여기광이 조사되면 자체적으로 자가 발광을 하는 특징이 있다. NADH는 NAD(Nicotinamide adenine dinucleotide)의 환원형태이다. NAD는 세포호흡에서의 해당 과정과 TCA(Tricarboxylic acid cycle) 회로에 널리 쓰이며, NADH에 저장된 환원 잠재력은 전자 전달계를 거치면서 ATP(adenosine 5-triphophate)로 전환되거나 동화반응(anabolism)에 쓰인다.

검출부(130)는 PMT(Photon Multiplier Tube)를 이용하거나 또는, 고속 포토 디텍터를 이용하여 자가 형광의 광자(photon)를 검출하고, TCSPC(Time Correlated Single Photon Counting)을 통해 단일 펄스 단위로 단일 광자의 발광량(즉, 세기)를 검출한다. 검출부(130)에서 검출한 전립선에 대한 측정 발광량을 이하에서는 I(t)라 한다.

진단부(140)는 검출부(130)에 의해 측정된 발광량을 프랙탈 알고리즘을 통해 프랙탈 차원값(Df)을 구하고, 구한 프랙탈 차원값(Df)에 대응하는 글리슨 점수(Gleason score)를 파악한다. 여기서, 프랙탈 차원값(Df)과 글리슨 점수는 일정한 상관관계(즉, 대응관계)를 가지고 있기 때문에, 프랙탈 차원값(Df)을 파악하면 그에 해당하는 글리슨 점수를 알 수 있다.

즉, 프랙탈 차원값은 대응하는 글리슨 등급(1등급에서 5등급)이 설정되어 있으며, 글리슨 점수는 2개의 글리슨 등급의 합으로 산출된다. 이때 진단부(140)는 프랙탈 차원값과 글리슨 등급과의 상관관계로 이루어진 매칭 테이블을 저장하여 플랙탈 차원값에 대응한 글리슨 등급을 파악한다.

일반적으로 글리슨 등급은 전문적인 용어로 종양의 등급을 나타내는데, 등급이란 전립선 암세포의 분화도 정도를 나타낸다. 이러한 글리슨 등급은 1등급에서 5등급까지가 있으며, 5등급이 종양의 가능성이 최고 높은 등급이다.

통상적으로, 병리학자는 글리슨 점수를 전립선암 정도 예측 지표로 사용하고 있다.

진단부(140)는 글리슨 점수를 파악하면 이에 대응하는 진단 결과를 파악하고 이를 출력하여 사용자가 이를 확인할 수 있게 한다.

여기서, 프랙탈 차원값(Df)과 글리슨 점수와의 상관 관계는 복수의 병리학자에 의해 그 신뢰성이 복수의 실험을 통해 입증된 상태이다. 전립선 시료를 대상으로 특성 시험을 한 결과, 단백질의 프랙탈 차원값은 볼륨에서는 약 3이고, 표면에서는 약 2.2를 나타냈으며, 전립선암의 프랙탈 차원값은 1.3 정도의 결과치를 나타냈다.

한편, 진단부(140)는 매칭 테이블을 이용하지 않고(즉, 글리슨 점수를 이용하지 않고), 프랙탈 차원값(Df)을 표시하거나, 프랙탈 차원값에 대응하는 전립선암 정도를 나타내는 진단 결과를 제공할 수 있다. 이 경우에 전립선암 정도를 나나태는 진단 결과는 프랙탈 차원값(또는 프랙탈 차원값의 범위)에 대응하여 저장된다.

내시경(150)은 공학부(120)를 통해 제공된 여기광을 인체내의 전립선 조직으로 조사하며, 전립선 조직에서 발광된 자가 형광을 수광하여 검출부(130)에 제공한다. 내시경(150)은 광 내시경(fiber scope) 또는 니들 내시경(needle scope) 등으로 종류에 한정되지 않는다.

이하에서는 도 2를 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 전립선암 체내진단기(100)의 광학 구성을 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전립선암 진단기의 광학 구성을 보인 블록도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 광학 구성은 광원부(110)와 광학부(120)를 포함한다.

광원부(110)는 반도체 레이저 소스로 구성되어 375nm 파장의 레이저 광을 조사한다.

광학부(120)는 레이저 광을 확장하여 직진시키는 빔 확장부(10), 광의 경로를 내시경(150) 방향으로 분기시키고 전립선으로부터 수신되는 자가 형광을 제3 집광부(40)로 전달하는 빔 스플리터부(20)와, 입사되는 광을 집광하는 제2 집광부(30) 및 제3 집광부(40)를 포함한다.

여기서, 제2 집광부(30)는 내시경(150)의 방사 케이블(emission cable)(또는 광 섬유) 전면에 배치되어 입사되는 광을 방사 케이블에 집광시킨다. 제3 집광부(40)는 내시경(150)의 검출 케이블(detector cable)(또는 광 섬유)의 전면에 배치된다. 방사 케이블 및 검출 케이블은 광을 전달하는 역할을 수행한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전립선암 진단기의 광학 구성에 대한 상세 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 광학부(120)의 빔 확장부(10)는 순차적으로, 방사 클리닝 필터, 집광용 렌즈, 빔 확장기(beam expander), 광을 일정크기로 전달하는 렌즈, 반파 플레이트(halfwave plate)로 구성되어, 반도체 레이저 소스(110)의 레이저 광을 깨끗한 광으로 만든 후 일정 크기로 확장시켜 빔 스플리터부(20)에 입사되게 한다.

여기서, 빔 확장기는 입사되는 빔의 크기를 키워주는 역할을 한다. 그리고 반파 플레이트는 빛의 편광방향을 180도 회전시켜주는 역할로서 송광계에서는 빔을 p파에서 s파로 변경하여 반사율을 증가시켜주는 역할을 한다. 즉, 광효율을 증가시켜주는 역할을 한다.

빔 스플리터부(20)는 빔 스플리터 큐브로 이루어져 있으며, 빔 확장부(10)로부터 입사되는 광을 내시경(150)측으로 광 경로를 변경시킨다. 구체적으로, 빔 스플리터 큐브는 빔 확장부(10)로부터 입사되는 광을 내시경(150)의 전면에 위치한 제 집광부(30)로 보내고, 내시경(150)으로부터 입사되는 자가 형광을 제3 집광부(30)로 보낸다.

제2 집광부(30)는 내시경(150)의 전단에 위치하고 있으며, 적어도 하나의 집광 렌즈(cylinderical lens)로 이루어져 있다. 제2 집광부(30)를 이루는 cylinderical 렌즈는 빔을 한쪽 방향으로만 형상을 바꿔주는 역할을 한다. 즉, 여기서는 내시경(150)의 방사 케이블에 제공되는 빔의 모양을 조정하기 위해 사용된다.

제3 집광부(40)는 내시경(150)의 검출 케이블을 통해 검출된 전립선 조직의 자가 형광을 제2 집광부(30), 빔 스플리터부(20)를 통해 수광하고, 수광한 자가 형광을 검출부(130)에 제공한다.

구체적으로, 제3 집광부(40)는 반사미러, 노치 필터(notch filter), 포필터(porfilter), 접안렌즈(confocal lens), 필드 스탑(field stop)을 포함한다. 반사미러는 빔 스플리터 큐브(20)로부터 입사되는 광을 노치필터에 전달하고, 노치필터는 자기 형광에서 공진 주파수의 임피던스 증가를 보정하며, 접안렌즈(confocal lens)는 검출부(130)에 초점이 맺도록 하는 역할, 즉, 초점이 맺힐 때 빔의 사이즈를 결정한다.

이하에서는 도 4를 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 프랙탈 차원값을 이용한 전립선암 진단정보 제공 방법을 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 프랙탈 차원값을 이용한 전립선암 진단정보 제공 방법을 보인 순서도이다.

설명에 앞서, 측정용 선반 상에 복수의 전립선 시료(A)를 측정 위치에 위치시킨 후, 복수의 전립선 시료(A) 각각에 대하여 복수의 측정 포인트(point)에서의 프랙탈 차원값을 파악한다. 예컨대, 본 발명의 실시 예에 따른 프랙탈 차원값을 이용한 전립선암 진단정보 제공 방법은 인체에서 적출한 전립선 조직에 대하여 12 방향으로 생검을 진행하여 측정용 전립선 시료를 획득하며, 12개의 전립선 시료(A) 각각에 대하여 14 포인트의 일정 간격으로 프랙탈 차원값을 파악한다. 물론 측정할 전립선 시료(A)의 수는 12개보다 적거나 많을 수 있고, 측정 포인트 또한 14 포인트보다 적거나 많을 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 우선, 반도체 레이저 소스(110)에서 375nm 파장의 여기 레이저 광을 조사한다.(S410).

조사된 여기 레이저 광은 광학부(120)와 내시경(150)을 통해 인체 내의 전립선 조직(생검 조직)에 집광되고, 이에 따라 여기 레이저 광에 의해 전립선 조직에서는 자가 형광이 발광되며, 자가 형광은 내시경(150)과 광학부(120)를 통해 검출기(130)에 수집된다(S420).

이때, 검출기(130)는 고속 포토 디텍터 또는 PMT(Photon Multiplier Tube) 방법으로 자가 형광을 검출하고, TCSPC 방법을 통해 단일 펄스에 대응한 단일 포톤의 세기(발광량)을 측정한다.

이러한 단일 포톤의 세기을 시간축상으로 표시하면 도 6에 도시된 그래프와 같이 도트 형태의 그래프로 나타나며, 이때의 그래프를 I(t)라 한다(S430). I(t)는 시간 의존적 포톤의 측정치이다.

진단부(140)는 도트 형태의 자가 형광 세기 그래프(I(t))를 프랙탈 차원 알고리즘을 이용하여 프랙탈 차원값(Df)을 산출하고 저장한다(S440).

진단부(140)는 현재 측정한 시료와 측정 포인트가 마지막 측정인지를 파악하여 모든 측정이 완료되었는지를 판단한다(S450).

마지막 측정이 아니면, 진단부(140)는 측정용 선반의 시료 또는 측정 포인트를 다음 측정 대상이 되게 지시한 후(S460), S410 내지 S450이 반복되게 한다. 그러나 마지막 측정이면, 진단부(140)는 각 전립선 시료(A) 및 측정 포인트별 프랙탈 차원값에 대응하는 글리슨 등급을 매칭 테이블을 이용하여 파악한다(S470).

그리고 진단부(140)는 파악한 글리슨 등급 중 측정자에 의해 미리 정해진 조건에 따라 2개의 글리슨 등급을 합산하여 글리슨 점수를 산출한다(S480).

이때 상기 조건은 글리슨 등급이 가장 높을 것으로 예상한 전립선 시료(A)에 대한 하나의 글리슨 점수(예; 임의의 하나 또는 가장 높은 글리슨 점수 또는 가장 낮은 글리슨 점수 등)와 글리슨 등급이 가장 높을 것으로 예상한 전립선 시료(A)에 대한 하나의 글리슨 점수(예; 임의의 하나 또는 가장 높은 글리슨 점수 또는 가장 낮은 글리슨 점수 등)이나, 이러한 조건은 측정자에 의해 임의로 변경이 가능하다.

진단부(140)는 산출한 글리슨 점수를 이용하여 해당 글리슨 점수에 해당하는 진단 결과를 파악하고(S490), 파악한 진단 결과를 측정자가 확인할 수 있도록 화면 또는 페이퍼로 출력한다(S500).

이하에서는 도 5를 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 전립선로부터 수신된 자가 형광 세기(I(t))를 이용하여 프랙탈 차원값을 도출하는, 진단부(140)의 동작을 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 프랙탈 차원값의 산출 과정을 보인 순서도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 프랙탈 차원 알고리즘을 이용한 프랙탈 차원값(Df)의 산출 방법은 다음과 같다.

전립선 코어의 측정 포인트마다 반도체 레이저 소스(11)의 여기 레이저 광을 조사하고 전립선으로부터 발생된 자가 형광의 세기(I(t))를 싱글 포톤 카운팅으로 측정한다(S501).

이러한 측정에 의해 자가 형광의 측정값(세기)(I(t))은 도 6에 도시된 도트 형태의 곡선으로 나타난다.

진단부(140)는 측정값(I(t)) 중 최고치(Imax)가 100cps 이상인 것만 선택하 입력된다. 여기서, 측정값(I(t)) 중 최고치(Imax)가 100cps 이상인 것만 선택하는 과정은 하기 S502 과정을 수행하기 때문에 생략 가능하다.

그리고 진단부(140)는 최고치(Imax)를 다시 설정된 기준 세기(Iref)와 비교하여, 최고치(Imax)가 기준 세기(Iref)보다 큰 측정값(I(t))을 검사 대상으로 설정한다(S502).

진단부(140)는 검사 대상으로 설정한 도트 파형의 측정치(I(t))에 대하여 근사화 모델링을 수행하여 수학식 1의 리니어(linear)한 비선형 곡선으로 만든다(S503)(도 6 참조).

여기서 근사화 모델링을 하는 S503 과정은 유효하지 않는 측정치를 배제시켜, 일률적인 결과를 얻을 수 있게 하기 위한 것이다.

초기강도 모델링에 대한 함수(F(t))는 다음의 수학식 1로 나타난다.

진단부(140)는 비선형의 F(t) 함수의 파형에 대하여 설정 횟수(예; 3회)를 반복하여 Fmax를 파악하고, Fmax의 시간 위치(to)를 파악한다(S504).

진단부(140)는 Fmax와 이의 시간 위치(to)를 파악하면, Fmax를 기반으로 한 각 측정값(도트값)들 간의 상관관계를 파악하기 위해 다음의 수학식 2를 이용한다.

여기서, C(t)는 상관함수이며, 이때 t가 to보다 큰 시간 구간에서 계산이 이루어게 하여 F(t)의 감쇄하강곡선(즉, I(t)의 감쇄하강곡선)에서의 상관관계를 파악할 수 있게 한다(S505)..

이러한 상관함수 C(t)는 Fmax의 시간 위치(to)를 기본으로 하기 때문에, to만큼 왼쪽으로 쉬프트시키면 Fmax의 시간 위치(to)가 원점에 위치하게 되고, 그에 따라 C(t-to)는 도 7과 같이 나타난다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 Fmax값을 기준으로 한 감쇄구간의 측정값들간 상관관계를 보인 그래프이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상관함수 C(t-to)의 값은 to에 멀어질수록 큰 값을 나타내다가 어느 시점부터 일정값으로 수렴하는 형태를 나타낸다.

이러한 상관함수 C(t-to)의 곡선 형태(상관관계의 형태)는 수학식 1에 기재된 F(t) 함수의 변수 a의 영향을 받았으며, 이러한 변수 a는 프랙탈 차원값(Df)값의 변수값이다.

따라서 수학식 2를 프랙탈 차원값(Df)에 관련하여 모델링하면 다음의 수학식 3으로 나타낼 수 있다. 수학식 3의 모델링된 프랙탈 차원값(Df)는, Df=2-a/2이다.

여기서, 프랙탈 차원값(Df)은 2-a/2로 구해짐에 따라, 수학식 3에서 변수 a를 구하는 것이 필요한다.

이를 위해 진단부(140)는 수학식 3에서 변수 a를 산출하기 위하여, 수학식 3의 상관함수를 다음의 수학식 4와 같이 로그함수로 치환한다(S506).

수학식 4와 같이 로그함수로 변환됨에 따라, 상관함수 C(t-to)의 값을 나타낸 그래프는 도 8과 같이 로그(log) 차원으로 변환된다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 상관관계를 로그 차원으로 변환한 그래프이다. 도 8에 도시된 그래프에서, 세로축은 상관함수 C(t-to)의 로그값이고, 세로축은 (t-to)에 대한 로그값이다.

따라서, 도 8에 도시된 그래프의 기울기는 도 4에 따르면 변수 a에 해당한다. 이때 기술기인 변수 a는 시작 위치(tu)와, 시작 위치(tu)에서의 가변 시간길이(Δt)에 의해 결정된다(S507).

즉, 프랙탈 함수(Df)는 시작 위치(tu)와 가변 시간길이(Δt)에 의한 함수이므로, Df(tu, Δt)로 나타낼 수 있다.

따라서, 진단부(140)는 프랙탈 함수(Df(tu, Δt))를 통해 프랙탈 차원값을 산출하는 과정을 수행한다.

구체적으로, 진단부(140)는 임의로 가변되는 tu와 Δt에 대응하여 프랙탈 함수값을 구하기 위하여 우선적으로 Δt를 설정된 값으로 고정시킨 상태에서 tu를 가변시키고 가변되는 tu에 따른 Df(tu, Δt)를 산출한다(S508).

S508 과정을 통해 산출된 Df(tu, Δt)는 도 9와 같은 비선형 곡선을 나타낸다. 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 가변시간을 고정시킨 상태에서의 프랙탈 차원값을 통해 시작 시간을 찾는 그래프이다.

도 9에 도시된 바와 같이, Df(tu, Δt)는 Δt가 고정된 상태에서 tu를 가변하면, 상이한 값을 나타내게 되며, 그 값이 일정한 법칙을 나타내지 않는 비선형적이다.

이러한 비선형 곡선에서, 진단부(140)는 Df(tu, Δt)가 최소값(minimal value)을 나타내는 지점의 시간(tu1)을 파악한다(S509).

그런 다음, 진단부(140)는 Df(tu, Δt)에 대하여 tu를 tu1으로 고정한 상태에서, 가변 시간길이(Δt)를 가변시켜 Df(tu1, Δt)의 값을 산출하며(S510), 이때 산출되는 Df(tu1, Δt)은 도 10에서 B1의 비선형 곡선으로 나타난다.

진단부(140)는 도 10의 B1과 같이 나타난 Df(tu1, Δt)의 값에서 최소값을 측정값(I(t))에 대한 프랙탈 차원값으로 결정한다.

이때, 진단부(140)는 도 10의 B1과 같은 비선형 곡선에서 최소값을 보다 정확히 구하기 위하여 Df(tu1, Δt)를 미분하여 도 10의 B2의 곡선으로 만든다(S511).

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 시작 시간을 고정시킨 상태에서의 프랙탈 차원값과 미분값을 통해 프랙탈 차원값을 찾는 그래프이다.

도 10에서, 세로축은 프랙탈 차원값이고, 가로축은 가변 시간길이(Δt)의 값이다. 도 10에서, B1 곡선의 최소값은 미분(dDF(ΔT)/dΔt)에 의하여 B2 곡선에서 평탄화 구간을 나타낸다.

따라서, 진단부(140)는 B2 곡선의 평탄화 구간에서 (dDF(ΔT)/dΔt)가 최소인 프랙탈 차원값이 최소인 값을 찾고(S512), 이때 찾은 최소값을 전립선에 대한 프랙탈 차원값으로 결정한다(S513).

결국, 진단부(140)는 도 4에 도시된 바와 같이, 시료(A)에 대한 프랙탈 차원값(Df)과, 이에 대응하는 글리슨 등급을 파악함에 따라 글리슨 점수를 산출하고 글리슨 점수에 대응하는 전립선암 정도를 예측한 진단 결과를 사용자에게 제공할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시 예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100 : 체내진단기 110 : 광원부
120 : 광학부 130 : 검출부
140 : 진단부

Claims (12)

1. 여기 레이저 광을 조사하는 반도체 레이저,
   인체 내의 생검 조직으로 상기 여기 레이저 광을 조사하고, 상기 생검 조직에서 발생된 자가 형광을 수광하는 내시경,
   상기 여기 레이저 광을 상기 내시경측으로 송광하고, 상기 내시경으로부터 생검 조직에서 발생된 자가 형광을 수광하는 광학부,
   상기 광학부에 수광된 상기 자가 형광을 검출하고 단일 펄스에 대응한 단일 포톤의 세기를 측정하여 시간 의존적인 상기 자가 형광 세기(이하 "자가 형광 측정치"라고 함)를 검출하는 검출부, 그리고
   상기 자가 형광 측정치를 프랙탈 차원 알고리즘을 이용하여 프랙탈 차원값을 산출하고, 상기 산출한 프랙탈 차원값에 대응된 글리슨 등급을 파악하며, 파악한 상기 글리슨 등급을 이용하여 글리슨 점수를 산출하는 진단부를 포함하되,
   상기 프랙탈 차원 알고리즘은,
   상기 자가 형광 측정치를 I(t)라고 하면,
   상기 I(t)의 최대치가 설정 기준 세기(Iref)보다 큰 I(t)를 대상으로 선정하는 과정,
   상기 선정된 I(t)를 모델링 함수인 F(t)를 이용하여 리니어(linear)한 값으로 근사화 모델링하는 과정,
   상기 F(t)의 최대값(Fmax)에서 상기 I(t)의 감쇄 구간의 측정값을 뺀 차이값을 나타내는 상관함수를 산출하는 과정,
   상기 상관함수를 프랙탈 모델로 모델링한 후 로그함수로 치환하는 과정,
   상기 로그함수의 값이 나타내는 곡선의 기울기(이하 "제1 기울기"라 함)에 해당하는 프랙탈차원 함수를 산출하되, 상기 제1 기울기는 시작 시간과 가변 시간길이에 의해 결정되는 과정,
   상기 프랙탈차원 함수에 대해 상기 가변 시간길이를 고정한 상태에서, 상기 시작 시간을 가변시켜 제1 프랙탈차원 함수값을 산출하고, 산출한 상기 제1 프랙탈차원 함수값의 최소값에 대응하는 제1 시작 시간을 파악하는 과정과,
   상기 프랙탈차원 함수에 대해 상기 시작 시간을 상기 제1 시작 시간으로 고정한 상태에서, 상기 가변 시간길이를 가변시켜 제2 프랙탈차원 함수값을 산출하고, 상기 제2 프랙탈차원 함수값을 미분한 후, 미분한 상기 제2 프랙탈차원 함수의 평탄화 구간 내 최소값을 상기 프랙탈 차원값으로 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 프랙탈 차원값을 이용한 전립선암 진단기.
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7. 여기 레이저 광을 내시경을 통해 인내 내의 생검 조직에 송광하고, 상기 생검 조직에서 발생된 자가 형광을 수광하는 단계,
   상기 자가 형광을 검출하고 단일 펄스에 대응한 단일 포톤의 세기를 측정하여 시간 의존적인 상기 자가 형광 세기(이하 "자가 형광 측정치"라고 함)를 검출하는 단계, 그리고
   상기 자가 형광 측정치를 프랙탈 차원 알고리즘을 이용하여 프랙탈 차원값을 산출하는 단계, 그리고
   상기 산출한 프랙탈 차원값에 대응된 글리슨 등급을 파악하고, 파악한 글리슨 등급을 이용하여 글리슨 점수를 산출하는 단계를 포함하되,
   상기 프랙탈 차원값을 산출하는 단계는,
   상기 자가 형광 측정치를 I(t)라고 하면,
   상기 I(t)의 최대치가 설정 기준 세기(Iref)보다 큰 I(t)를 대상으로 선정하는 제1 서브단계,
   상기 선정된 I(t)를 모델링 함수인 F(t)를 이용하여 리니어(linear)한 값으로 근사화 모델링하는 제2 서브단계,
   상기 F(t)의 최대값(Fmax)에서 상기 I(t)의 감쇄 구간의 측정값을 뺀 차이값을 나타내는 상관함수를 산출하는 제3 서브단계,
   상기 상관함수를 프랙탈 모델로 모델링한 후 로그함수로 치환하는 제4 서브단계,
   상기 로그함수의 값이 나타내는 곡선의 기울기(이하 "제1 기울기"라 함)에 해당하는 프랙탈차원 함수를 산출하되, 상기 제1 기울기는 시작 시간과 가변 시간길이에 의해 결정되는 제4 서브단계,
   상기 프랙탈차원 함수에 대해 상기 가변 시간길이를 고정한 상태에서, 상기 시작 시간을 가변시켜 제1 프랙탈차원 함수값을 산출하고, 산출한 상기 제1 프랙탈차원 함수값의 최소값에 대응하는 제1 시작 시간을 파악하는 제5 서브단계,
   상기 프랙탈차원 함수에 대해 상기 시작 시간을 상기 제1 시작 시간으로 고정한 상태에서, 상기 가변 시간길이를 가변시켜 제2 프랙탈차원 함수값을 산출하고, 산출한 상기 제2 프랙탈차원 함수값의 최소값을 상기 프랙탈 차원값으로 결정하는 제6 서브단계와,
   상기 제2 프랙탈차원 함수값을 미분하고, 미분한 상기 제2 프랙탈차원 함수의 평탄화 구간 내 최소값을 상기 프랙탈 차원값으로 결정하는 제7 서브단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프랙탈 차원값을 이용한 전립선암 진단정보 제공 방법.
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