KR101920911B1

KR101920911B1 - 인체의 간 모사 팬텀 및 이를 이용하여 인체 간을 진단하기 위한 열영상 mri 시스템

Info

Publication number: KR101920911B1
Application number: KR1020170047539A
Authority: KR
Inventors: 서영섭
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2018-11-21
Also published as: KR20180115170A

Abstract

인체의 간 모사 팬텀을 이용한 MRI 열영상 시스템이 개시된다.
본 발명에 따른 인체의 간 모사 팬텀을 이용한 MRI 열영상 시스템은 구동기구와, 상기 구동기구에 연결되는 flexible plastic rod와, 인체의 간 모사 팬텀이 놓여지는 받침대로 이루어지고, 상기 flexible plastic rod의 일단에는 구동기구가 연결되며, flexible plastic rod의 타단에는 받침대가 놓여지고, 상기 받침대는 MRI 장치의 찰상 자기장 내에 놓여지며, 상기 구동기구의 전후동작과 상하동작에 따라 받침대가 전후동작과 상하동작이 이루어지도록 구성된다.

Description

인체의 간 모사 팬텀 및 이를 이용하여 인체 간을 진단하기 위한 열영상 MRI 시스템{LIVER PHANTOM AND MRI USING THEREOF}

본 발명은 인체의 간 모사 팬텀 및 이를 이용하여 인체 간을 진단하기 위한 열영상 MRI 시스템에 관한 것이다.

암이나 종양을 치료할 때 제일 먼저 MRI, CT, X-ray, PET 등과 같은 의료 영상기기를 이용하여 암 또는 종양의 정확한 위치와 크기를 확인한 후 의사가 개복수술에 의해 암을 제거하거나 방사선 또는 약물치료를 통해 암을 치료하고 있다.

기존의 의료영상기기를 사용한 암 또는 종양의 진단 및 치료 방법들은 메스꺼움, 구토, 피로감, 머리카락 및 눈썹이 빠지는 현상, 몸에 남는 수술자국 흉터, 식욕감퇴, 또는 몸의 면역체계 및 저항력을 떨어뜨려 다른 병에 걸리기 쉬운 부작용이 있다.

이러한 부작용을 고려하여, 기존의 치료 방법에 비해 부작용이 상대적으로 작은 레이저(laser), 극초단파(microwave), 초음파(ultrasound), 라디오파(RF)를 이용한 열(heat)로써 암을 치료 방법이 개발되고 있으며, 또한 열을 이용하여 암 주위에 있는 정상 세포를 죽이지 않고 암세포만을 제거하기 위해 정확한 온도를 측정할 수 있는 자기공명 열 영상기법 (MR thermal imaging) 개발되고 있다.

하지만 열을 이용한 진단 및 치료 방법들은 움직이지 않는 암(static cancer)에 제한적으로 사용되고 있다.

도 1은 기존의 움직임이 않는 암을 진단하는 의료영상기기로부터 촬상된 영상 이미지를 나타낸 것이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 암 치료 시 움직임에 의해 부정확한 온도영상을 초래하고 있다. 이 때 측정불확도는 6-10 ℃이다.

그러나 실재 암 또는 종양의 진단 및 치료 시에는 암 또는 종양이 움직이게 되므로, 획득되는 열 영상은 더욱 더 부정확한 암 또는 종양이 촬상되게 된다. 따라서 움직이는 암 또는 종양의 주위에 있는 정상세포를 죽이지 않고 암만 치료하기 위해 정확한 정량적인 온도 측정을 위한 자기공명 열 영상 (MR thermal imaging) 기술 개발이 요구된다.

등록특허공보 제10-0961892호의 자기공명분광영상의 성능평가용 팬텀 공개특허공보 제10-2017-0015674호의 외부 팬텀없는 영상 신호에서 골밀도 값 예측 등록특허공보 제10-0942160호의 영상정합 평가를 위한 인체모사 팬텀 등록특허공보 제10-1358468호의 병소의 체적 및 위치 검증용 팬텀

움직임이 있는 암 또는 종양에서의 정확한 온도 측정을 위한 열영상 MRI 시스템을 제공하려는 데 그 목적이 있다.

또한 움직이는 암 또는 종양의 주위에 있는 정상세포를 죽이지 않고 암 또는 종양 조직만 치료하기 위해 정확한 정량적인 온도 측정을 제공할 수 있는 열영상 MRI 시스템을 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 언급한 과제로 제한되지 않는다. 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인체의 간 모사 팬텀은 전체 간 모사 팬텀에 대하여, DI water 85 중량%, Sucrose 13.14 중량%, NaCl 1.24 중량%, Hydroxyethyl cellulose 0.52 중량%, Dowicil 0.1 중량%의 비율로 이루어진다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 인체의 간 모사 팬텀은 전체 간 모사 팬텀에 대하여, DI water 중량85%, Sucrose 12.5 중량%, NaCl 1.4 중량%, Hydroxyethyl cellulose 1.0 중량%, Dowicil 0.1 중량%의 비율로 이루어진다.

본 발명의 또다른 실시예에 따른 인체의 간 모사 팬텀은 전체 간 모사 팬텀에 대하여, DI water 85 중량%, Sucrose 12.5~13.14 중량%, Dowicil 0.1 중량%의 비율로 이루어지고, 나머지는 NaCl과 Hydroxyethyl cellulose로 이루어질 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 인체의 간 모사 팬텀은 MRI 영영상 시스템에 제공되는데, 상기 MRI 열영상 시스템은 구동기구와, 상기 구동기구에 연결되는 flexible plastic rod와, 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 인체의 간 모사 팬텀이 놓여지는 받침대로 이루어지고, 상기 flexible plastic rod의 일단에는 구동기구가 연결되며, flexible plastic rod의 타단에는 받침대가 놓여지고, 상기 받침대는 MRI 장치의 자기장 내에 놓여지며, 상기 구동기구의 전후동작과 상하동작에 따라 받침대가 전후동작과 상하동작이 이루어진다.

또한 상기 구동기구는 전후동작을 위한 제1 구동기구와 상하동작을 위한 제2 구동기구로 이루어지고, 상기 제1 구동기구는 12~25mm 범위로 전후동작이 이루어지며, 상기 제2 구동기구는 1~12mm로 상하동작이 이루어진다.

또한 상기 제1 구동기구와 제2 구동기구의 움직임은 4 sec 주기로 설정된다.

본 발명에 따른 열영상 MRI 시스템은 움직임이 있는 암 또는 종양에서의 정확한 온도 측정이 가능하므로 개복수술, 방사선, 및 약물치료의 부작용 없이 효과적으로 암을 치료하는데 사용될 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 움직이는 장기에 있는 암 또는 종양의 종류별 열 피폭량 및 heating therapy time에 대한 가이드 라인을 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 전후 이동범위, 상하 이동범위, 및 움직임 주기로 설정된 인체 모사 팬텀은 인체의 온도를 고려한 모델로서 보다 정확하고 보다 선명한 화상을 관찰자에게 보여줄 수 있다.

도 1는 인체의 간 모사 팬텀의 MRI에서의 최초 기준위치를 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른 MRI 열영상 시스템을 나타낸 것이다.
도 3은 인체의 간 모사 팬텀의 움직임 범위를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 설명의 편의를 위해 도면에 도시된 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 표현될 수 있다.

〈인체 간 모사 팬텀〉

인체 간의 열 물성치 데이터를 바탕으로 서로 다른 20종류의 인체 간 모사 팬텀시료를 제작하였다.

이하의 설명에서 Sucrose는 화학식 C₁₂H₂₂O₁₁ =342.30(CAS NO.: 57-50-1)이고, Dowicil (75)는 1-(3-chloroallyl)-3,5,7-triaza-1-azoniaadamantane chloride(CTAC) 64.0%, Methenamine (hexamethylenetetramine) 5.0%, 1,3 Dichloropropene 0.25%, Methylene chloride 0.1%, Sodium bicarbonate 39.0%의 중량비율로 이루어져 있는 분말(Dow Chemical Company(소재지: Midland Michigan US)로부터 상업적으로 입수가능함)이다. 이하에서는 Dowicil (75)는 편의상 Dowicil이라 지칭할 수 있다. 또한 TX151은 친수성 경화 파우더(Barmar LLC(소재지: Lafayette Louisiana US)로부터 상업적으로 입수가능함)이다.

〈표 1〉은 인체 간의 밀도 및 비열값을 나타낸 것(Density and heat capacity of in vitro human livers)이고, 〈표 2〉는 인체 간의 모사 팬텀시료 No. 1-3 제작에 사용된 시료 종류 및 함유량을 나타낸 것(Formulae for a human liver-mimicking phantom 1-3 (based on weight))이며, 〈표 3〉은 인체 간의 모사 팬텀시료 No. 4-6 제작에 사용된 시료의 종류 및 함유량을 나타낸 것(Formulae for a human liver-mimicking phantom 4-6 (based on weight percentage))이다.

Density	0.995-1.015 g/cm³
Heat capacity	3.6 J/(g·K)
Thermal diffusivity	(1.5±0.1)×10³(cm²/s) at 5-20℃, 1.41×10³(cm²/s) at 37℃

	Phantom 1	Phantom 2	Phantom 3
DI water	200 g	200 g	200 g
TX151	13.3 g	20 g	40 g

	Phantom 4	Phantom 5	Phantom 6
DI water	51.02 %	51.6 %	52.4 %
Sucrose	46.01 %	46.54 %	45 %
NaCl	0.82 %	1.24 %	1.4 %
Hydroxyethyl cellulose	2.05 %	0.52 %	1.0 %
Dowicil (75)	0.1 %	0.1 %	0.1 %

이어서, 인체 간의 모사 팬텀시료 No. 1-6에 대한 밀도 및 비열을 측정하였다.

〈표 4〉는 인체 간의 모사 팬텀시료 No. 1-6에 대한 밀도 및 비열을 나타낸 것(Measurements of density and heat capacity of phantom 1-6)이다. 하지만 인체 간의 열 물성치와 차이가 있으므로 부적합하다.

	Phantm 1	Phantom 2	Phantom 3	Phantom 4	Phantom 5	Phantom 6
Density [g/cm³]	1.02±0.04	1.03±0.05	1.06±0.07	1.24±0.001	1.23±0.001	1.22±0.003
Heat capacity [J/(g·K)]	4.05±0.21	4.08±0.21	4.12±0.21	3.05±0.18	3.05±0.18	3.08±0.18

〈표 5〉는 인체 간의 모사 팬텀시료 No. 7-9의 제작에 사용된 시료의 종류 및 함유량을 나타낸 것(Formulae for a human liver-mimicking phantom 7-9)이다. 〈표 6〉은 인체 간의 모사 팬텀시료 No. 7-9에 대한 밀도 및 비열을 측정한 것(Measurements of density and heat capacity of phantom 7-9)이다. 하지만 인체 간의 밀도와 차이를 보여준다.

	Phantom 7	Phantom 8	Phantom 9
DI water	1.0 L	1.0 L	1.0 L
Agar	15 g/L	15 g/L	15 g/L
NaCl	-	2 g/L	16 g/L
CuSO4	-	1 g/L	-

	Phantom 7	Phantom 8	Phantom 9
Density [g/cm³]	1.20±0.001	1.21±0.001	1.22±0.001
Heat capacity [J/(g·K)]	-	-	-

〈표 7〉은 인체 간의 모사 팬텀시료 No. 10-15의 제작에 사용된 시료의 종류 및 함유량을 나타낸 것(Fsormulae for a human liver-mimicking phantom 10-15 (based on weight percentage))이다. 〈표 8〉은 인체 간의 모사 팬텀시료 No. 10-15에 대한 밀도 및 비열을 측정한 것(Measurements of density and heat capacity of phantom 10-15)이다. 하지만 인체 간의 밀도와 차이를 보여준다.

	Phantom 10	Phantom 11	Phantom 12	Phantom 13	Phantom 14	Phantom 15
DI water	65.02 %	65.6 %	65.4 %	70.0 %	70.6 %	70.4 %
Sucrose	32.01 %	32.54 %	32 %	27.03 %	27.54 %	27.1 %
NaCl	0.82 %	1.24 %	1.4 %	0.82 %	1.24 %	1.4 %
Hydroxyethyl cellulose	2.05 %	0.52 %	1.0 %	2.05 %	0.52 %	1.0 %
Dowicil (75)	0.1 %	0.1 %	0.1 %	0.1 %	0.1 %	0.1 %

	Phantom 10	Phantom 11	Phantom 12	Phantom 13	Phantom 14	Phantom 15
Density [g/cm³]	1.15±0.001	1.15±0.001	1.15±0.001	1.13±0.001	1.13±0.001	1.13±0.001
Heat capacity [J/(g·	-	-	-	-	-	-

〈표 9〉는 인체 간의 모사 팬텀시료 No. 16-20의 제작에 사용된 시료의 종류 및 함유량을 나타낸 것(Formulae for a human liver-mimicking phantom 16-20 (based on weight percentage))이고, 〈표 10〉는 인체 간의 모사 팬텀시료 No. 16-20에 대한 밀도, 비열, 및 열확산도를 측정한 것을 나타낸 것(Measurements of density, heat capacity and thermal diffusivity of phantom 16-20)이다.

결과적으로 팬텀시료 17과 18이 인체 간의 밀도와 열 물성치와 비슷하므로 인체 간의 모사 팬텀으로 사용이 가능하다.

	Phantom 16	Phantom 16	Phantom 16	Phantom 16	Phantom 16
DI water	85 %	85 %	85 %	90 %	90 %
Sucrose	12.03 %	13.14 %	12.5 %	8.14 %	7.5 %
NaCl	0.82 %	1.24 %	1.4 %	1.24 %	1.4 %
Hydroxyethyl cellulose	2.05 %	0.52 %	1.0 %	0.52 %	1.0 %
Dowicil (75)	0.1 %	0.1 %	0.1 %	0.1 %	0.1 %

	Phantom 16	Phantom 17	Phantom 18	Phantom 19	Phantom 20
Density [g/cm³]	1.06±0.001	1.06±0.001	1.06±0.001	1.04±0.001	1.04±0.001
Heat capacity [J/(g·K)]	3.99±0.18	3.84±0.18	3.79±0.18	3.92±0.18	3.94±0.18
Thermal diffusivity [×10³ (cm²/s)]	1.73±0.11	1.60±0.10	1.57±0.11	1.68±0.11	1.69±0.12

〈표 9〉를 참조하면, 팬텀시료는 DI water 85 중량%, Sucrose 12.5~13.14 중량%, Dowicil 0.1 중량%로 하고, 나머지는 NaCl과 Hydroxyethyl cellulose로 구성할 수 있다.

〈MR-compatible 인체 간의 움직임 모사 시스템 개발〉

기존에 개발된 respiratory motion system은 CT, X-ray, IGRT(Image-Guided Radiation Therapy) 등과 같은 비자성 의료기기에 사용되고 있지만, 강한 자기장을 이용하는 MRI 영상기기에는 사용할 수 없는 단점을 가지고 있다. 따라서 비자성 의료기기 뿐만 아니라 자기장을 이용한 진단 및 치료용 영상기기에도 사용할 수 있는 respiratory motion system의 개발이 필요하다.

한편, 건강한 성인의 경우 호흡에 의한 인체 간(liver)의 움직임은, 심장(heart)과 폐(lung)의 움직임에 영향을 받게 되는데, cranial-caudal translation translation 12-26 mm 움직임 범위, anterior-posterior translation 1-12 mm 움직임 범위, left-right translation 1-3 mm 움직임 범위의 3D motion을 보이며, 약 1.5°의 turning range를 갖는다. 또한 inhalation and exhalation의 respiration cycle(호흡 주기)는 4 sec 이다.

이러한 움직임과 호흡주기는 사람에 따라 다소 차이는 있을 수 있지만, cranial-caudal translation과 anterior-posterior translation에 비하여 left-right translation과 turning range는 상대적으로 작다. 비록 모든 움직임, 주기 등을 고려하여 모사 시스템을 설계하는 것이 바람직하나, 이러한 움직임, 주기 등은 사람에 따라 모두 달라질 수 있으므로 여전히 불확정한 결과를 얻을 수 있다.

이에 따라 cranial-caudal translation과 anterior-posterior translation을 고려하여 인체 간의 움직임 모사 시스템을 제안한다.

도 2는 본 발명에 따른 MRI 열영상 시스템을 나타낸 것이다. 도면을 참조하면, 긴 길이의 flexible plastic rod(200)의 일측에 구동기구(100)가 연결되어 있고 타측에는 받침대(300)가 연결되어 있다. 상기 구동기구는 제어부와 연결된다. 받침대에는 인체 모사 팬텀이 담겨진 비이커(AA)가 놓여진다. 인체 모사 팬텀은 구동 기구의 움직임에 따라 전후 및 상하로 움직일 수 있다. 상기 구동기구는 캠, LM 가이드 등을 이용하여 구성할 수 있다. 이와 같은 구동기구는 널리 알려진 구성이므로, 상세한 구조, 조합에 관하여는 생략한다. 상기 flexible plastic rod는 구동 기구의 모터가 자장의 영향을 받지 않도록 차폐를 하거나 MRI로부터 충분한 거리를 갖는 것이 요구된다.

본 발명에 따른 MRI 열영상 시스템에서는 변형(deformation) 및 회전(rotation)없이 harmonic linear motion (20 mm at frequency = 0.25Hz)을 위해 stepper motor와 linear motion(LM) guide system을 사용한다.

구체적으로는 상기 step motor는 magnet room 안에서 자장의 영향을 받지 않는 위치에 고정하고 끊임없이 회전운동(constant angular speed=1.56 rad/sec)을 하게하고, 모터의 회전운동을 직선운동으로 바꾸어 주는 구동기구와 4.6 m의 flexible plastic rod를 연결하여 구성한다. 이에 따라 호흡에 따른 움직임(respiratory motion)에 기인한 생체실험을 위한 인체 움직임(an in vivo human liver motion)을 가능하게 한다.

이에 따라 cranial-caudal translation과 anterior-posterior translation을 고려하여 인체 간의 움직임 모사 시스템을 제안한다. cranial-caudal translation을 위한 전진과 후진 동작이 가능하도록 제1 구동기구와, anterior-posterior translation을 위한 상하 동작가능한 제2 구동기구로 이루어진다. 상기 제1 구동기구와 제2 구동기구로부터 전후 및 상하 운동을 flexible plastic rod로 전달한다. 이에 따라 flexible plastic rod의 타측 단부에 구비된 인체 모사 팬텀이 전후 및 상하 운동을 하게 된다.

한편, 상기 제1 구동기구의 전후 이동 범위와 제2 구동기구의 상하 이동 범위는 미리 설정된 범위로 한정된다. 예를 들어 상기 제1 구동기구의 전후 이동범위는 12~25mm로 설정될 수 있으며, 제2 구동기구의 상하 이동범위는 1~12mm로 설정될 수 있다. 바람직하게는 평균값 범위로서 제1 구동기구의 전후 이동범위는 18~21mm 사이로 설정하고, 제2 구동기구의 상하 이동범위는 5~7mm 사이로 설정할 수 있다.

또한 상기 제1 구동기구와 제2 구동기구는 간의 움직임 주기에 대응하여 이동속도가 변화될 수 있다. 예컨대 respiration cycle(호흡 주기)는 4 sec라면, 제1 및 제2 구동기구의 움직임 주기는 4 sec로 설정된다.

도 3은 인체의 간 모사 팬텀의 움직임 범위를 나타낸 도면이다. 실시예로서, 전후 이동범위가 20mm, 상하 이동범위가 7mm, 움직임 주기가 4 sec로 설정되면, 전후 이동은 최초 기준위치(O)에서 10mm로 전진하였다가(L-1) 다시 최초 기준위치로 후퇴한 후 10mm 후진한 후(L-2) 다시 최초 기준위치로 되돌아오게 되며, 상하 이동은 최초 기준위치(O)에서 7mm로 상승하였다가(H-1) 다시 최초 기준위치로 하강하게 된다. 그리고 이와 같은 전진 후 후퇴동작과 상승 후 하강동작은 4 sec 간격으로 이루어지게 된다. 여기서 최초 기준위치라 함은 MRI 장치에서 검진 시 인체의 간이 위치하는 지점을 말한다. 도 1은 인체의 간 모사 팬텀의 MRI에서의 최초 기준위치를 나타낸 그림이다.

본 발명에 따른 전후 이동범위, 상하 이동범위, 및 움직임 주기로 설정된 인체 모사 팬텀은 인체의 온도를 고려한 모델로서 보다 정확하고 보다 선명한 화상을 관찰자에게 보여줄 수 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

100 : 구동기구
200 : flexible plastic rod
300 : 받침대
AA : 비이커

Claims

DI water 85 중량%, Sucrose 13.14 중량%, NaCl 1.24 중량%, Hydroxyethyl cellulose 0.52 중량%, Dowicil 0.1 중량%로 이루어지는 인체의 간 모사 팬텀.
DI water 85 중량%, Sucrose 12.5 중량%, NaCl 1.4 중량%, Hydroxyethyl cellulose 1.0 중량%, Dowicil 0.1 중량%로 이루어지는 인체의 간 모사 팬텀.
DI water 85 중량%, Sucrose 12.5~13.14 중량%, Dowicil 0.1 중량%로 하고, 나머지는 NaCl과 Hydroxyethyl cellulose로 이루어지는 인체의 간 모사 팬텀.
구동기구와, 상기 구동기구에 연결되는 flexible plastic rod와, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 따른 인체의 간 모사 팬텀이 놓여지는 받침대로 이루어지고,
상기 flexible plastic rod의 일단에는 구동기구가 연결되며, flexible plastic rod의 타단에는 받침대가 놓여지고, 상기 받침대는 MRI 장치의 자기장 내에 놓여지며,
상기 구동기구의 전후동작과 상하동작에 따라 받침대가 전후동작과 상하동작이 이루어지는 것을 특징으로 하는 인체의 간 모사 팬텀을 이용한 MRI 열영상 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 구동기구는 전후동작을 위한 제1 구동기구와 상하동작을 위한 제2 구동기구로 이루어지고,
상기 제1 구동기구는 12~25mm 범위로 전후동작이 이루어지며, 상기 제2 구동기구는 1~12mm 범위로 상하동작이 이루어지는 것을 특징으로 하는 인체의 간 모사 팬텀을 이용한 MRI 열영상 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 제1 구동기구와 제2 구동기구의 움직임은 4 sec 주기로 설정되는 것을 특징으로 하는 인체의 간 모사 팬텀을 이용한 MRI 열영상 시스템.