KR101781897B1 - 지골을 이용한 골밀도 측정 방법 - Google Patents

지골을 이용한 골밀도 측정 방법 Download PDF

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Abstract

지골을 이용한 골밀도 측정 방법이 개시된다. 본 발명의 일 구현예에 따른 골밀도 측정 방법은 피측정 대상인 피측정자의 손가락 또는 발가락의 길이 정보와 굵기 정보를 획득하는 단계; 피측정 대상에 진동을 인가하고, 피측정 대상의 진동 변화를 측정하는 단계; 진동 변화로부터 피측정 대상의 고유 주파수를 측정하는 단계; 및 피측정 대상의 길이 정보, 굵기 정보 및 고유 주파수를 기반으로 피측정 대상의 골밀도를 산출하는 단계를 포함한다.

Description

지골을 이용한 골밀도 측정 방법{BONE MINERAL DENSITY MEASUREMENT METHOD USING PHALANGES}
본 발명은 골밀도 측정 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 지골을 이용한 골밀도 측정 방법에 관한 것이다.
고령화 시대를 맞이하면서 노화 관련 질병(뇌혈관 질환, 심혈관 질환, 암, 근 골격계 질환등)이 증가하고 있다. 이 중 골밀도가 감소하는 질병인 골다공증 진단 환자 역시 크게 증가하였다. 골다공증은 고령자의 골절, 요통 등의 기초 질환으로 분류된다. 골다공증의 조기진단이나 예방이 매우 중요한 이유다.
기존 골다공증을 진단하기 위한 측정 방법으로는 크게 5종류가 있다. RA(X-Ray를 이용한 측정방법), DXA(듀얼 X-Ray를 이용한 측정방법), QUS(초음파를 이용한 측정방법), QMR(자력을 이용한 측정방법), QCT(방사선을 이용한 측정방법)이 그것이다.
하지만 이러한 기존 측정 방법은 고비용이 요구되거나(QMR, QCT), 측정 장비 설치에 과한 설치 공간이 요구되거나(DXA), 측정의 정확도가 높지 않거나(RA, QUS), 피측정자가 방사선에 노출되는(DXA, QCT) 등의 단점이 있다. 따라서 이러한 단점들을 개선하기 위한 연구개발들이 이루어지고 있다.
특허문헌 : 한국공개특허 제2013-0021964호 (2013.03.06 공개)
본 발명은 측정 시간이 빠르고 측정이 간편할 뿐더러, 피측정자에게 무해한 골밀도 측정 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 피측정 대상인 피측정자의 손가락 또는 발가락의 길이 정보와 굵기 정보를 획득하는 단계; 상기 피측정 대상에 진동을 인가하고, 상기 피측정 대상의 진동 변화를 측정하는 단계; 상기 진동 변화로부터 상기 피측정 대상의 고유 주파수를 측정하는 단계; 및 상기 피측정 대상의 길이 정보, 굵기 정보 및 고유 주파수를 기반으로 상기 피측정 대상의 골밀도를 산출하는 단계를 포함하는 골밀도 측정 방법이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 골밀도를 산출하는 단계는 하기 [식 1], [식 2]에 따라 이루어질 수 있다.
[식 1]
Figure 112016008487132-pat00001
상기 [식 1]에서 ρ는 피측정 대상의 골밀도, E는 25 GPa, α는 1.875104, d2는 상기 손가락 또는 발가락을 구성하는 중간마디의 높이, L은 전체 손가락 또는 발가락의 길이임.
[식 2]
Figure 112016008487132-pat00002
상기 [식 2]에서 l1, l2, l3는 각각 손가락 또는 발가락을 구성하는 첫마디, 중간마디, 끝마디의 길이, d1, d2, d3은 높이임.
또한, 상기 골밀도를 산출하는 단계는 상기 [식 1], [식 2]의 l1, l2, l3는 L/3로, d1: d2: d3 는 0.89d2: d2: 1.12d2로 치환하여 산출하는 단계를 더 포함하는 골밀도 측정 방법.
또한, 상기 고유 주파수를 측정하는 단계는 상기 진동 변화를 고속 푸리에 변환 처리하고 파형의 주파수 분석을 통해 고유 진동수를 측정하는 단계이고, 제1 주파수 범위 내에서 상기 파형의 주파수 피크 영역을 1차적으로 추출하고, 상기 주파수 피크 영역을 포함하고 상기 제1 주파수 범위보다 좁은 범위의 제2 주파수 범위에서 상기 파형의 주파수 피크 영역을 2차적으로 추출하여 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따른 골밀도 측정 방법은 피측정자의 손가락 또는 발가락의 길이 정보 및 굵기 정보와, 상기 손가락 또는 발가락을 가진하여 측정한 고유 진동수 값으로 골밀도를 산출할 수 있다. 따라서 측정 시간이 빠르고 측정이 간편하며, 방사선과 같은 물질을 이용하지 않는 바 피측정자에게 무해하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 골밀도 측정 방법의 순서도이다.
도 2는 FFT 그래프의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 [식 1], [식 2]의 입력값을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 하기의 설명은 본 발명을 구체적인 예시를 들어 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 기술적 사상이 하기의 설명에 한정되는 것은 아니다. 그리고 첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로, 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 골밀도 측정 방법은 종래 X-RAY, 초음파, 자력, 방사선 등을 이용하여 골밀도를 측정하는 것이 아니라 진동을 이용하여 골밀도를 측정한다. 그 이유는 피측정 대상의 고유 주파수를 측정하기 위함이다. 고유 주파수는 시스템 또는 물체가 갖는 진동 주파수로서(고유 진동수라고도 함), 물체 고유의 특성 중 하나다. 그리고 피측정 대상의 모델링에 따라, 측정된 고유 주파수는 상기 피측정 대상의 밀도를 산출하는 데에 이용될 수 있다. 관련하여 본 발명에 따른 골밀도 측정 방법에서는 피측정 대상인 피측정자의 손가락 또는 발가락을 3단 외팔보(3-Stepped beam)로 모델링하는 것을 일 특징으로 한다. 여기에서 "3단 외팔보"는 외팔보 모델에서 3단의 다단 외팔보를 의미한다(두 개의 단차를 가짐). 본 발명에 따른 골밀도 측정 방법에서 피측정 대상인 피측정자의 손가락 또는 발가락을 상기 3단 외팔보로 모델링한 이유는, 본 발명의 발명자들이 피측정자의 손가락 또는 발가락을 3단 외팔보로 모델링하였을 때에 가장 신뢰성 있는 측정 결과가 나타남을 연구를 통해 얻었기 때문이다(측정결과의 정확도가 높아 많은 연구들에서 레퍼런스로 이용되고 있는 DXA를 이용한 골밀도 측정 장치를 이용한 골밀도 측정 값과 5% 이내에서 근사한 값을 보임).
이와 같이 진동(10kHz 이하)을 이용하여 고유 주파수를 측정하는 방식을 기반으로 하는 골밀도 측정 방법은 여러 이점을 갖는다. 예를 들어 방사선을 이용하는 방식에 비해 진동을 이용하는 방식은 인체에 무해하다. 또한 진동을 이용하는 방식의 경우 장치의 소형화를 달성할 수 있어 과한 측정장비 설치 공간이 요구되지 않으며, 측정 시간 역시 상대적으로 짧아 골밀도 검사 비용을 상대적으로 저렴하게 유지할 수 있다. 게다가 고주파(100kHz 이상)인 초음파를 이용하는 것에 비해 저주파(10kHz 이하)를 이용하므로, 피측정 대상에 대해 열적 손상을 가할 우려가 적다.
한편 본 발명에 따른 골밀도 측정 방법에 있어서, 피측정 대상은 피측정자의 손가락 또는 발가락이다. 그 이유는 손가락 또는 발가락이 진동을 이용하는 방식에 적합한 피측정 대상이기 때문이다. 손가락 또는 발가락은 인체에서 진동을 인가하기 상대적으로 용이한 부위에 해당한다. 측정자나 피측정자 모두에게 측정이 편할 수 있다. 그리고 손가락 또는 발가락은 살과 근육이 다른 부위에 비해 상대적으로 적은 편이다. 인체의 팔이나 다리와 같이 살과 근육이 상대적으로 많은 부위에 비해 뼈의 고유 주파수를 측정하기 용이할 뿐더러, 측정의 정확성을 높일 수 있는 이유다. 게다가 공개된 연구결과에 따르면 낮은 골밀도에서 손가락과 척추 사이에는 90%, 손가락과 고관절 사이에는 82%의 상관 관계가 있다(F.cosman, B.Herrington, S. Himmelstin and R. Lindsay, "Radiographic Absorptiometry: A Simple Method for Determination of Bone Mass", Osteoporosis, 1991). 손가락의 골밀도 산출 결과를 통해 골다공증 진단이 가능한 이유다.
이하에서는 본 발명의 일 구현예에 따른 골밀도 산출 방법의 각 단계에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 골밀도 측정 방법의 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 골밀도 측정 방법은 피측정 대상인 피측정자의 손가락 또는 발가락의 길이 정보와 굵기 정보를 획득하는 단계와(S110), 상기 피측정 대상에 진동을 인가하고(S120), 상기 피측정 대상의 진동 변화를 측정하는 단계와(S130), 상기 진동 변화로부터 상기 피측정 대상의 고유 주파수를 측정하는 단계와(S140), 상기 피측정 대상의 길이 정보, 굵기 정보 및 고유 주파수를 기반으로 상기 피측정 대상의 골밀도를 산출하는 단계(S150)를 포함할 수 있다.
S110 단계에서 피측정 대상인 피측정자의 손가락 또는 발가락의 길이 정보와 굵기 정보를 획득한다. 상기 길이 정보와 굵기 정보는 기 입력된 정보일 수도 있고, 별도의 도구나 장치를 이용하여 상기 피측정자의 손가락 또는 발가락의 길이와 굵기를 측정함으로써 획득할 수 있다. 이 때, 상기 길이 정보는 피측정자의 손가락 또는 발가락의 전체 길이 정보는 물론이거니와, 손가락 또는 발가락을 구성하는 세 마디 각각에 해당하는 첫마디, 중간마디 및 끝마디의 길이 정보 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 그리고 상기 굵기 정보는 피측정자의 손가락 또는 발가락을 구성하는 세 마디 각각에 해당한느 첫마디, 중간마디 및 끝마디의 굵기 정보 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
다음으로 S120 단계에서 상기 피측정 대상에 진동을 인가할 수 있다. 이 때, 진동 인가 방법은 특정한 방법으로 제한되는 것이 아니다. 즉, 피측정 대상인 피측정자의 손가락 또는 발가락에 진동을 인가할 수 있는 방법이라면 제한 없이 이용 가능하다. 예를 들어, 통상의 진동인가장치를 사용하여 피측정 대상에 진동을 인가할 수 있다(여기에서 상기 진동은 10kHz 이하의 저주파 진동일 수 있음). 상기 진동인가장치는 가진기, 압전 액츄에이터, 필름형으로 형성되고 지골 근육에 전기 자극을 주어 가진을 일으키는 장치 등을 예로 들 수 있다. 예컨대 가진기 상부에 피측정 대상을 위치시키고, 상기 가진기의 상부에 마련되어 진동하는 진동출력부를 상기 피측정 대상에 반복적으로 접촉시키는 방식으로 상기 피측정 대상에 진동을 인가할 수 있다. 이 때 상기 피측정 대상의 안정적인 파지를 위하여 별도의 지그 장치들이 이용될 수도 있다. 예를 들어 지그에 상기 피측정 대상을 위치시키고 상기 지그의 하부에는 가진기 등의 진동인가장치를 배치하되, 상기 진동인가장치의 진동출력부가 상기 피측정 대상에 반복적으로 접촉 가능하도록 지그에 홀을 형성하는 등의 가공을 할 수 있다.
다음으로 S130 단계에서 상기 피측정 대상의 진동 변화를 측정할 수 있다. 이 때, S130 단계는 S120 단계와 동시에 이루어질 수 있다. 상기 피측정 대상의 진동 변화 측정은 통상의 진동측정계를 사용함으로써 수행될 수 있다. 상기 진동측정계의 예로는 압전 센서, 압력 센서, 가속도계 등이 있다. 예를 들어 가속도계는 미세한 구조물을 포함하며, 상기 구조물이 가속도 방향에 따라 기울어지면 저항값이 바뀌어서 구조물을 타고 흐르는 전류의 값이 달라지고 이러한 전류 변화를 가속도로 인식하여 진동을 측정하는 방식의 센서다. 따라서 상기 가속도계가 피측정 대상에 밀착되도록 배치시킨 후에, S120 단계에서 피측정 대상에 진동을 인가하면 상기 가속도계를 통해 피측정 대상의 진동 변화가 측정될 수 있다. 물론 상술한 방법으로 한정되는 것은 아니고, 피측정 대상의 진동 변화를 측정할 수 있는 방법이라면 제한 없이 이용 가능하다.
다음으로 S140 단계에서 상기 진동 변화로부터 상기 피측정 대상의 고유 주파수를 측정할 수 있다. 진동 변화로부터 고유 주파수를 측정하는 방법은 다양할 수 있다. 예를 들어, 피측정 대상에 밀착되도록 배치된 가속도계로부터 상기 피측정 대상의 진동 변화 데이터를 획득하고, 상기 진동 변화 데이터를 고속 푸리에 변환 처리한 후 파형의 주파수 분석을 통해 고유 주파수를 측정할 수 있다. 이 때, 상기 피측정 대상의 진동 변화 데이터는 상기 가속도계와 통신하는 컴퓨터 시스템을 통해 획득될 수 있다.
고속 푸리에 변환 처리후, 파형의 주파수 분석을 통해 고유 주파수를 측정하는 방법은 공지의 방법이다. 고속 푸리에 변환을 통해 특정 시간 영역에서의 진동을 주파수 영역의 주파수 대역으로 변환하고(FFT 그래프), 상기 주파수 대역의 변곡 영역에서의 최고치를 고유 주파수로 추출할 수 있다. 관련하여, 도 2는 FFT 그래프의 일 예를 나타내고 있으며, 본 예에서는 도 2에 나타난 주파수 대역의 변곡 영역에서의 최고치인 1,072Hz가 고유 주파수로 추출될 수 있다. 한편, 상술한 고유 주파수 측정에 있어 제1 주파수 범위 내에서 상기 파형의 주파수 피크 영역을 1차적으로 추출하고, 상기 주파수 피크 영역을 포함하고 상기 제1 주파수 범위보다 좁은 범위의 제2 주파수 범위에서 상기 파형의 주파수 피크 영역을 2차적으로 추출함으로써, 고유 주파수의 추출 정확성 및 신뢰성을 높일 수 있다.
다음으로 S150 단계에서 상기 피측정 대상의 길이 정보, 굵기 정보(이상, S110 단계에서 획득함)와 고유 주파수(S140 단계에서 획득함)를 기반으로 상기 피측정 대상의 골밀도를 산출할 수 있다. 이 때, 상기 골밀도의 산출은 하기 [식 1], [식 2]에 따라 이루어질 수 있다.
[식 1]
Figure 112016008487132-pat00003
상기 [식 1]은 피측정 대상이 되는 피측정자의 손가락 또는 발가락을 3단 외팔보(3-Stepped beam)로 모델링하고, 보 이론(Euler-Bernoulli, 균일한 보 및 자유 진동 조건)을 이용하여 밀도에 관한 식으로 정리한 것이다. 이 때, 질량관성(Moment of Inertia)는 등가관성 모멘트(equivalent inertia)를 이용하였다. 관련하여 도 3은 [식 1], [식 2]의 입력값을 설명하기 위한 도면이다.
상기 [식 1]에서 ρ는 피측정 대상(도 3에서 부호 10으로 표기)의 골밀도이며(단위는 g/cm2 또는 kg/m3), E는 탄성계수(N/m2)로 사람의 뼈의 경우 25 GPa의 값을 가질 수 있다. α는 상수이며 1.875104이다. d2는 손가락(또는 발가락)을 구성하는 세 마디 중 중간마디의 높이를 의미하며, L은 전체 손가락의 길이를 의미한다(도 3 참고).
한편, 상기 [식 1]에서 Ieq는 등가관성 모멘트이며, 하기 [식 2]에 따른다.
[식 2]
Figure 112016008487132-pat00004
상기 [식 2]에서 l1, l2, l3는 각각 손가락(또는 발가락)을 구성하는 첫마디 길이, 중간마디 길이, 끝마디 길이를 의미하며, d1, d2, d3은 각각 손가락(또는 발가락)을 구성하는 첫마디 높이, 중간마디 높이, 끝마디 높이를 의미한다(여기에서 높이는 "굵기" 또는 "지름"과 동일 유사한 의미임). 그리고 L은 전체 손가락(또는 발가락)의 길이를 의미한다(도 3 참고).
상기 [식 1], [식 2]에서 l1, l2, l3는 모두 L/3로, d1: d2: d3 는 0.89d2: d2: 1.12d2로 치환될 수 있다. 이는 본 발명의 발명자들이 복수의 피측정자들을 대상으로 조사한 결과 나온 값들로, 오차 범위 내에서의 산출 결과를 가져오기 때문에 골밀도 산출을 보다 신속하게 하기 위해 적용될 수 있다. 상기 [식 1], [식 2]에서 l1, l2, l3는 모두 L/3로, d1: d2: d3 는 0.89d2: d2: 1.12d2로 치환하는 경우에는 S110 단계에서 피측정자의 손가락 또는 발가락의 전체 길이와, 손가락 또는 발가락을 구성하는 세 마디 중 중간 마디의 길이 정보 및 굵기 정보만을 획득하면 되므로 보다 측정이 간편해지는 효과가 있다.
한편, S140 단계 및 S150 단계 중 적어도 하나 이상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램으로서 구현될 수 있다. 여기에서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함할 수 있으며, 네트워크로 연결된 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구현예들에 따른 골밀도 측정 방법은 피측정자의 손가락 또는 발가락의 길이 정보 및 굵기 정보와, 상기 손가락 또는 발가락을 가진하여 측정한 고유 진동수 값으로 골밀도를 산출할 수 있다. 따라서 측정 시간이 빠르고 측정이 간편하며, 방사선과 같은 물질을 이용하지 않는 바 피측정자에게 무해하다.
이상, 본 발명의 구현예들에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술의 구체적 적용에 따른 단순한 설계변경, 일부 구성요소의 생략, 단순한 용도의 변경 등 본 발명을 다양하게 변형할 수 있을 것이며, 이러한 변형 역시 본 발명의 권리범위 내에 포함됨은 자명하다.
10: 피측정 대상

Claims (4)

  1. 피측정 대상인 피측정자의 손가락 또는 발가락의 길이 정보와 굵기 정보를 획득하는 단계;
    상기 피측정 대상에 진동을 인가하고, 상기 피측정 대상의 진동 변화를 측정하는 단계;
    상기 진동 변화로부터 상기 피측정 대상의 고유 주파수를 측정하는 단계; 및
    상기 피측정 대상의 길이 정보, 굵기 정보 및 고유 주파수를 기반으로 상기 피측정 대상의 골밀도를 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 골밀도를 산출하는 단계는 하기 [식 1], [식 2]에 따라 골밀도를 산출함으로써 이루어지는 골밀도 측정 방법.
    [식 1]
    Figure 112017042307930-pat00010

    상기 [식 1]에서 ρ는 피측정 대상의 골밀도, E는 탄성계수(N/m2)로 25 GPa, f는 고유 주파수, α는 1.875104, d2는 상기 손가락 또는 발가락을 구성하는 중간마디의 높이, L은 전체 손가락 또는 발가락의 길이임.
    [식 2]
    Figure 112017042307930-pat00011

    상기 [식 2]에서 l1, l2, l3은 각각 상기 손가락 또는 발가락을 구성하는 첫마디, 중간마디, 끝마디의 길이이고, d1, d2, d3은 각각 손가락 또는 발가락을 구성하는 첫마디, 중간마디, 끝마디의 높이임.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 골밀도를 산출하는 단계는 상기 [식 1], [식 2]의 l1, l2, l3는 L/3로, d1: d2: d3 는 0.89d2: d2: 1.12d2로 치환하여 산출하는 단계를 더 포함하는 골밀도 측정 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 고유 주파수를 측정하는 단계는 상기 진동 변화를 고속 푸리에 변환 처리하고 파형의 주파수 분석을 통해 고유 진동수를 측정하는 단계이고,
    제1 주파수 범위 내에서 상기 파형의 주파수 피크 영역을 1차적으로 추출하고, 상기 주파수 피크 영역을 포함하고 상기 제1 주파수 범위보다 좁은 범위의 제2 주파수 범위에서 상기 파형의 주파수 피크 영역을 2차적으로 추출하여 보정하는 단계를 더 포함하는 골밀도 측정 방법.
  4. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102500803B1 (ko) 2022-04-14 2023-02-16 이인영 기존 구조물의 지하통로 시공방법

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