KR102303922B1 - Method for estimating bone mineral density and bone structure using ultrasonic attenuation coefficient and phase velocity - Google Patents

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KR102303922B1 KR1020190147398A KR20190147398A KR102303922B1 KR 102303922 B1 KR102303922 B1 KR 102303922B1 KR 1020190147398 A KR1020190147398 A KR 1020190147398A KR 20190147398 A KR20190147398 A KR 20190147398A KR 102303922 B1 KR102303922 B1 KR 102303922B1
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Abstract

한 쌍의 초음파 트랜스듀서(transducer) 사이에 위치한 해면질골에 어느 하나의 트랜스듀서가 송신초음파를 조사하여, 다른 하나의 트랜스듀서가 상기 해면질골을 투과한 수신초음파를 수신하는 측정단계; 상기 측정단계에서 수신된 수신초음파의 전기적 신호를 분석하여 0.2 MHz 내지 0.6 MHz 범위의 주파수 영역에 대한 감쇠계수 및 위상속도를 계산하는 제1 분석단계; 상기 제1 분석단계에서 계산된 감쇠계수 및 위상속도 각각과 초음파 주파수 간의 비선형 회귀분석을 수행하여 회귀 방정식을 도출하고, 도출된 회귀 방정식의 계수를 변수로 추출하는 제2 분석단계; 및 상기 해면질골의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나가 종속변수이고, 적어도 둘 이상의 변수가 독립변수로 이루어진 다중회귀모델에 상기 제2 분석단계에서 추출된 변수를 독립변수로 적용하여 상기 해면질골의 골밀도와 골구조를 예측하는 예측단계; 를 포함하는 초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법을 제공한다.A measuring step of irradiating a transmitting ultrasound wave to the cancellous bone positioned between a pair of ultrasound transducers, and receiving the receiving ultrasound wave passing through the spongy bone by the other transducer; a first analysis step of analyzing the electrical signal of the received ultrasonic wave received in the measuring step to calculate an attenuation coefficient and a phase speed for a frequency region in the range of 0.2 MHz to 0.6 MHz; a second analysis step of deriving a regression equation by performing nonlinear regression analysis between each of the attenuation coefficient and phase velocity calculated in the first analysis step and the ultrasonic frequency, and extracting the coefficient of the derived regression equation as a variable; and applying the variable extracted in the second analysis step as an independent variable to a multiple regression model in which any one of the bone density and bone structure of the cancellous bone is a dependent variable and at least two or more variables is an independent variable, so that the bone density of the cancellous bone and a prediction step of predicting the bone structure; It provides a method for predicting bone density and bone structure using an ultrasonic damping coefficient and phase velocity, including a.

Description

초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법 {METHOD FOR ESTIMATING BONE MINERAL DENSITY AND BONE STRUCTURE USING ULTRASONIC ATTENUATION COEFFICIENT AND PHASE VELOCITY}Bone density and bone structure prediction method using ultrasonic attenuation coefficient and phase velocity {METHOD FOR ESTIMATING BONE MINERAL DENSITY AND BONE STRUCTURE USING ULTRASONIC ATTENUATION COEFFICIENT AND PHASE VELOCITY}

본 발명은 초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for predicting bone density and bone structure using an ultrasonic damping coefficient and phase velocity.

골다공증은 골량의 감소 및 골구조의 파괴로 인해 작은 충격에도 골절이 쉽게 발생하는 전신적 골질환으로 정의되며, 고령 인구가 증가하고 있는 현대사회에서 골다공증은 당뇨병 및 심혈관 질환과 함께 가장 심각한 노인성 질환으로 인식되고 있다.Osteoporosis is defined as a systemic bone disease in which fractures easily occur even with a small impact due to a decrease in bone mass and destruction of bone structure. is becoming

이때, 골다공증은 발병하고 나면 정상상태로 되돌릴 수 없는 비가역성 질환이라는 점에서 조기 진단 및 진단에 의한 예방이 중요시 되는 질병으로, 골다공증 진단을 위한 여러 가지 진단방법 중 대표적으로 이중 에너지 X-선 흡수계측법(dual energy X-ray absorptiometry; DEXA)을 이용한 골밀도 측정이 있다.At this time, since osteoporosis is an irreversible disease that cannot be returned to a normal state once it is onset, early diagnosis and prevention by diagnosis are important. There is bone density measurement using dual energy X-ray absorptiometry (DEXA).

그러나, 골다공증 진단을 위한 골밀도 측정은 골다공증의 진단 뿐 아니라 치료반응의 평가를 위하여 반복적인 측정이 이루어져야하기 때문에 방사선을 이용하는 이중 에너지 X-선 흡수계측법은 방사선에 반복적으로 노출되어야 하는 위험성이 존재하였으며, 특히 임산부의 골밀도 측정에는 어려움이 있었다.However, since measurement of bone density for the diagnosis of osteoporosis requires repeated measurement not only for the diagnosis of osteoporosis but also for evaluation of treatment response, there is a risk that the dual energy X-ray absorptiometry using radiation requires repeated exposure to radiation. In particular, it was difficult to measure bone density in pregnant women.

그렇기에, 인체에 무해한 골다공증 진단 방법에 대한 연구가 다각도로 이루어지고 있으며, 이러한 연구에 일환으로 초음파를 이용하여 골다공증을 진단하는 정량적 초음파(quantitative ultrasound; QUS) 기술이 제시되었다.Therefore, research on a method for diagnosing osteoporosis that is harmless to the human body is being conducted from various angles, and a quantitative ultrasound (QUS) technology for diagnosing osteoporosis using ultrasound has been proposed as part of this research.

여기서, 정량적 초음파 기술은 인체의 발뒤꿈치 뼈, 즉, 종골(calcaneus)에 초음파를 조사하고, 종골의 음속(speed of sound; SOS) 및 광대역 초음파 감쇠(broadband ultrasound attenuation; BUA)와 같은 초음파 특성을 측정하여, 전신의 골밀도(bone mineral density; BMD)를 간접적으로 예측한다. 이때, 예측된 골밀도로 골다공증을 진단할 수 있다.Here, the quantitative ultrasound technology irradiates ultrasound to the heel bone of the human body, that is, the calcaneus, and measures ultrasound characteristics such as the speed of sound (SOS) and broadband ultrasound attenuation (BUA) of the calcaneus. By measuring, the bone mineral density (BMD) of the whole body is indirectly predicted. At this time, osteoporosis can be diagnosed by the predicted bone density.

이러한 정량적 초음파기술은 방사선을 이용한 골다공증 진단 방법에 비해 반복적인 검사에도 방사선 노출의 위험성이 전혀 없고, 진단기기의 가격 및 검진비용이 상대적으로 저렴한 장점이 있으며, 이에 관한 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0038812호(출원일 : 2003. 10. 23, 공개일 : 2005. 04. 29.), 대한민국 공개특허공보 10-2003-0034550호(출원일 : 2001. 10. 26., 공개일 : 2004. 06. 11.) 등에 제시된 바 있다. Compared with the method of diagnosing osteoporosis using radiation, this quantitative ultrasound technology has the advantage that there is no risk of radiation exposure even in repeated examinations, and the price and examination cost of the diagnostic device are relatively low. -2005-0038812 (application date: October 23, 2003, publication date: 04. 29. 2005), Republic of Korea Patent Publication No. 10-2003-0034550 (file date: October 26, 2001, publication date: 2004. 06. 11.), etc. have been suggested.

한편, 동일한 골밀도를 갖더라도 연령의 차이, 골절 관련 병력, 스테로이드류의 약물치료를 받은 경우, 및 인체의 골구조를 구성하는 해면질골 골소주 간격과 골 용량비율의 차이에 따라서 골절 발생률이 다르기 때문에 골밀도 뿐 아니라 골구조의 변화를 함께 고려해야 할 필요성이 있다.On the other hand, even with the same bone density, the incidence of fractures differs depending on the age difference, fracture-related history, steroid drug treatment, and the difference in the spongy bone trabecular interval and bone volume ratio of the human bone structure. In addition, there is a need to consider changes in bone structure together.

그러나, 종래의 정량적 초음파 기술은 골다공증 진단을 위해 골밀도의 변화만을 측정하고 있어 골구조 변화로 인해 발생하는 골다공증의 원인 규명 및 진단에는 어려움이 존재하였다.However, since the conventional quantitative ultrasound technology measures only the change in bone density for the diagnosis of osteoporosis, it is difficult to identify and diagnose the cause of osteoporosis caused by the change in bone structure.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 초음파 측정을 통해 골밀도 및 골구조를 함께 예측하고, 예측된 결과로부터 골다공증 진단의 정확도를 향상시킬 수 있는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a technique capable of predicting bone density and bone structure together through ultrasound measurement and improving the accuracy of diagnosis of osteoporosis from the predicted result in order to solve the above problems.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법은 한 쌍의 초음파 트랜스듀서(transducer) 사이에 위치한 해면질골에 어느 하나의 트랜스듀서가 송신초음파를 조사하여, 다른 하나의 트랜스듀서가 상기 해면질골을 투과한 수신초음파를 수신하는 측정단계; 상기 측정단계에서 수신된 수신초음파의 전기적 신호를 분석하여 0.2 MHz 내지 0.6 MHz 범위의 주파수영역에 대한 감쇠계수 및 위상속도를 계산하는 제1 분석단계; 상기 제1 분석단계에서 계산된 감쇠계수 및 위상속도 각각과 초음파 주파수 간의 비선형 회귀분석을 수행하여 회귀 방정식을 도출하고, 도출된 회귀 방정식의 계수를 변수로 추출하는 제2 분석단계; 및 상기 해면질골의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나가 종속변수이고, 적어도 둘 이상의 변수가 독립변수로 이루어진 다중회귀모델에 상기 제2 분석단계에서 추출된 변수를 독립변수로 적용하여 상기 해면질골의 골밀도와 골구조를 예측하는 예측단계; 를 포함하며, 상기 제1 분석단계에서 상기 감쇠계수는 하기 수학식 1을 통해 계산되고, 상기 위상속도는 하기 수학식 2를 통해 계산되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve this object, in the method for predicting bone density and bone structure using ultrasound attenuation coefficient and phase velocity according to an embodiment of the present invention, any one transducer is located in the spongy bone located between a pair of ultrasound transducers. A measuring step of irradiating the transmitting ultrasound, the other transducer receiving the receiving ultrasound that has passed through the spongy bone; a first analysis step of analyzing the electrical signal of the received ultrasonic wave received in the measuring step to calculate an attenuation coefficient and a phase speed for a frequency domain ranging from 0.2 MHz to 0.6 MHz; a second analysis step of deriving a regression equation by performing nonlinear regression analysis between each of the attenuation coefficient and phase velocity calculated in the first analysis step and the ultrasonic frequency, and extracting the coefficient of the derived regression equation as a variable; and applying the variable extracted in the second analysis step as an independent variable to a multiple regression model in which any one of the bone density and bone structure of the cancellous bone is a dependent variable and at least two or more variables is an independent variable, so that the bone density of the cancellous bone And a prediction step of predicting the bone structure; Including, in the first analysis step, the attenuation coefficient is calculated through Equation 1 below, and the phase speed is calculated through Equation 2 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019117854291-pat00001
Figure 112019117854291-pat00001

(여기서,

Figure 112019117854291-pat00002
[dB/cm]는 해면질골의 감쇠계수, d는 해면질골의 두께,
Figure 112019117854291-pat00003
Figure 112019117854291-pat00004
는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서 사이에 해면질골이 없는 경우와 있는 경우에 각각 수신된 신호의 파워스펙트럼레벨)(here,
Figure 112019117854291-pat00002
[dB/cm] is the attenuation coefficient of spongy bone, d is the thickness of spongy bone,
Figure 112019117854291-pat00003
and
Figure 112019117854291-pat00004
is the power spectrum level of the received signal when there is no cancellous bone between the pair of ultrasonic transducers, respectively)

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019117854291-pat00005
Figure 112019117854291-pat00005

(여기서,

Figure 112019117854291-pat00006
[m/s]는 해면질골의 위상속도,
Figure 112019117854291-pat00007
는 주파수, d는 해면질골의 두께,
Figure 112019117854291-pat00008
는 온도에 의존하는 수중에서의 음속(1482m/s, 20℃),
Figure 112019117854291-pat00009
는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서 사이에 해면질골이 없는 경우와 있는 경우에 각각 수신된 신호의 위상차) (here,
Figure 112019117854291-pat00006
[m/s] is the phase velocity of cancellous bone,
Figure 112019117854291-pat00007
is the frequency, d is the thickness of the spongy bone,
Figure 112019117854291-pat00008
is the temperature-dependent speed of sound in water (1482 m/s, 20 °C),
Figure 112019117854291-pat00009
is the phase difference of the received signal between a pair of ultrasonic transducers in the absence and presence of spongy bone)

여기서, 상기 제2 분석단계는, 상기 제1 분석단계에서 계산된 감쇠계수 및 위상속도 중 어느 하나와 초음파 주파수 간의 비선형 회귀 분석을 통해 회귀 방정식인 하기의 수학식 3 및 수학식 4를 도출하는 도출단계; 및 상기 도출단계에서 도출된 수학식 3 및 수학식4를 통해

Figure 112019117854291-pat00010
(이하, ‘제1 변수’라 칭함) 및
Figure 112019117854291-pat00011
(이하, ‘제2 변수’라 칭함)을 변수로 추출하는 추출단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, in the second analysis step, the following equations 3 and 4, which are regression equations, are derived through nonlinear regression analysis between the ultrasonic frequency and any one of the attenuation coefficient and the phase velocity calculated in the first analysis step. step; And through Equations 3 and 4 derived in the derivation step
Figure 112019117854291-pat00010
(hereinafter referred to as the 'first variable') and
Figure 112019117854291-pat00011
an extraction step of extracting (hereinafter referred to as a 'second variable') as a variable; It is characterized in that it includes.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019117854291-pat00012
Figure 112019117854291-pat00012

(여기서,

Figure 112019117854291-pat00013
[dB/cm]는 초음파 감쇠계수,
Figure 112019117854291-pat00014
는 y절편,
Figure 112019117854291-pat00015
[
Figure 112019117854291-pat00016
]은 계수, f는 주파수, n은 지수)(here,
Figure 112019117854291-pat00013
[dB/cm] is the ultrasonic attenuation coefficient,
Figure 112019117854291-pat00014
is the y-intercept,
Figure 112019117854291-pat00015
[
Figure 112019117854291-pat00016
] is the coefficient, f is the frequency, n is the exponent)

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019117854291-pat00017
Figure 112019117854291-pat00017

(여기서,

Figure 112019117854291-pat00018
[m/s]는 위상속도,
Figure 112019117854291-pat00019
는 y절편,
Figure 112019117854291-pat00020
[
Figure 112019117854291-pat00021
]은 계수, n은 지수) (here,
Figure 112019117854291-pat00018
[m/s] is the phase velocity,
Figure 112019117854291-pat00019
is the y-intercept,
Figure 112019117854291-pat00020
[
Figure 112019117854291-pat00021
] is the coefficient, n is the exponent)

이때, 상기 해면질골의 골구조는 상기 해면질골의 골용적 비율(BT/TV), 골소주 두께(Tb.Th) 및 골소주 간격(Tb.Sp) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.In this case, the bone structure of the cancellous bone is characterized in that it comprises at least one of a bone volume ratio (BT/TV), a trabecular thickness (Tb.Th), and a trabecular distance (Tb.Sp) of the cancellous bone.

또한, 다수개의 해면질골 샘플로부터 사전에 측정된 제1 변수 및 제2 변수를 독립변수로 하고, 상기 해면질골 샘플의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나를 종속변수로 하여, 복수의 독립변수와 각 종속변수의 다중 회귀 분석(multiple regression analysis)을 수행하고, 이로부터 도출된 회귀 방정식을 다중회귀모델로 획득하는 다중회귀모델 생성단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the first variable and the second variable measured in advance from a plurality of cancellous bone samples are used as independent variables, and any one of the bone density and bone structure of the cancellous bone sample is used as a dependent variable, and a plurality of independent variables and each dependent variable are used. a multiple regression model generation step of performing multiple regression analysis of variables and obtaining a regression equation derived therefrom as a multiple regression model; It is characterized in that it includes.

그리고, 상기 골밀도 및 골구조 예측단계에서 예측된 결과를 출력하는 출력단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And, an output step of outputting the results predicted in the bone density and bone structure prediction step; characterized in that it further comprises.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.As described above, according to the present invention, there are the following effects.

첫째, 본 발명은 골밀도 예측을 위해 제시되었던 종래의 파라미터 외에도 새로운 2개의 초음파 변수를 독립변수로 하는 다중회귀모델을 제공함으로써, 골밀도 및 골구조 예측이 가능하다.First, the present invention can predict bone density and bone structure by providing a multiple regression model using two new ultrasound variables as independent variables in addition to the conventional parameters presented for bone density prediction.

둘째, 종래의 파라미터와 더불어 새로운 초음파 변수를 통한 골밀도 및 골구조 예측결과를 제공함으로써, 음속 및 광대역 초음파 감쇠만을 이용해 골밀도를 측정하던 방식에 비해 골다공증 진단의 정확도를 향상시킬 수 있다.Second, by providing bone density and bone structure prediction results through new ultrasound parameters in addition to conventional parameters, it is possible to improve the accuracy of osteoporosis diagnosis compared to the method of measuring bone density using only sound velocity and broadband ultrasound attenuation.

셋째, 본 발명은 골밀도와 골구조를 함께 평가함에 따라 골밀도의 변화뿐 아니라 골구조 변화로 인해 발생하는 골다공증의 원인 규명 및 진단이 가능할 수 있다. Third, in the present invention, by evaluating bone density and bone structure together, it is possible to identify and diagnose the cause of osteoporosis caused by changes in bone structure as well as changes in bone density.

넷째, 본 발명은 초음파를 조사하여 골다공증 진단이 이루어지므로 측정자가 방사선에 노출될 위험이 없기 때문에 측정자에게 안전한 측정 방법을 제공할 수 있다.Fourth, since the present invention diagnoses osteoporosis by irradiating ultrasound, it is possible to provide a safe measurement method to the measurer because there is no risk of the measurer being exposed to radiation.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측장치를 도시한 것이다.
도2는 골구조를 예시한 단면도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법을 도시한 흐름도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 분석단계에서 계산된 0.2 MHz 내지 0.6 MHz 범위의 주파수영역에서 (a) 감쇠계수 및 (b) 위상속도를 도시한 그래프이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법에 있어서, 새로운 파라미터인 제1 변수 및 제2 변수를 적용한 다중회귀모델로부터 예측된 골밀도 및 골구조의 신뢰성을 설명하기 위하여 예시한 것으로, 단순회귀모델과 다중회귀모델의 결정계수를 비교한 표이다.
1 shows an apparatus for predicting bone density and bone structure using an ultrasonic damping coefficient and a phase velocity according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view illustrating a bone structure.
3 is a flowchart illustrating a method for predicting bone density and bone structure using an ultrasonic damping coefficient and a phase velocity according to an embodiment of the present invention.
4 is a frequency domain of 0.2 MHz to 0.6 MHz calculated in the first analysis step according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing (a) attenuation coefficient and (b) phase velocity.
5 is a method for predicting bone density and bone structure using an ultrasonic damping coefficient and a phase velocity according to an embodiment of the present invention. As an example to explain the reliability of

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.A preferred embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, but already known technical parts will be omitted or compressed for the sake of brevity of description.

<초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측장치에 관한 설명><Description of the apparatus for predicting bone density and bone structure using ultrasonic damping coefficient and phase velocity>

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측장치(이하, ‘골밀도 및 골구조 예측장치’라 칭함)를 도시한 것이며, 도2는 골구조를 예시한 단면도이다.1 shows an apparatus for predicting bone density and bone structure (hereinafter, referred to as 'bone density and bone structure prediction apparatus') using an ultrasonic damping coefficient and phase velocity according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a bone structure It is an illustrative cross-sectional view.

도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 골밀도 및 골구조 예측장치(100)는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서(110, 이하‘트랜스듀서’라 칭함), 파형 발생부(120), 분석부(130), 예측부(140) 및 출력부(150)를 포함하여 구성된다.1, the apparatus 100 for predicting bone density and bone structure according to an embodiment of the present invention includes a pair of ultrasound transducers 110 (hereinafter referred to as 'transducers'), a waveform generator 120, and analysis It is configured to include a unit 130 , a prediction unit 140 , and an output unit 150 .

한 쌍의 트랜스듀서(110)는 인가된 전기적 신호를 초음파로 변환하거나, 수신한 초음파를 전기적 신호로 변환할 수 있다, 이때, 한 쌍의 트랜스듀서(110) 중 어느 하나의 트랜스듀서는 전기적 신호를 초음파로 변환하여 송신초음파를 송신하는 송신부(111)로 동작하며, 다른 하나의 트랜스듀서는 수신초음파를 전기적 신호로 변환하는 수신부(112)로 동작한다.The pair of transducers 110 may convert an applied electrical signal into an ultrasonic wave or convert a received ultrasonic wave into an electrical signal. is converted into ultrasonic waves and operates as the transmitter 111 for transmitting the ultrasonic waves, and the other transducer operates as the receiver 112 for converting the ultrasonic waves into electrical signals.

여기서, 한 쌍의 트랜스듀서(110)는 초음파를 송수신하는 일면이 마주보도록 위치하며, 한 쌍의 트랜스듀서(110) 사이에는 소정 간격 이격되어 있다. Here, the pair of transducers 110 are positioned so that one surface for transmitting and receiving ultrasonic waves faces, and the pair of transducers 110 are spaced apart from each other by a predetermined distance.

이때, 한 쌍의 초음파 변환기(110) 사이에는 측정하고자 하는 대상이 위치할 수 있으며, 골밀도 및 골구조를 판단하고자 하는 인체의 일부가 위치할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 골밀도 및 골구조 예측장치(100)에서는 해면질골(trabecular bone; T)이 위치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In this case, an object to be measured may be positioned between the pair of ultrasound transducers 110 , and a part of the human body for which the bone density and bone structure are to be determined may be positioned. At this time, in the apparatus 100 for predicting bone density and bone structure according to an embodiment of the present invention, a trabecular bone (T) may be located, but is not limited thereto.

여기서, 도2에 도시된 바와 같이 해면질골(T)은 매우 치밀한 구조를 갖는 피질골(cortical bone; C)과 함께 인체의 뼈를 구성하는 골조직으로, 피질골(C)에 비하여 넓은 표면적을 가지고 있어 골조직 물질대사의 대부분이 해면질골(T)에서 발생하며, 현재 임상에서 골다공증을 진단하기 위한 지표로서 해면질골(T)의 골밀도를 측정하고 있다.Here, as shown in Fig. 2, the cancellous bone (T) is a bone tissue constituting the bones of the human body together with cortical bone (C) having a very dense structure. Most of the metabolism occurs in the cancellous bone (T), and the bone density of the cancellous bone (T) is currently measured as an index for diagnosing osteoporosis in clinical practice.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 골밀도 및 골구조 예측장치(100)의 한 쌍의 트랜스듀서(110)는 수중에 설치될 수 있다. 이때, 물은 인체의 연부조직과 유사한 음향특성을 가지며, 초음파 전파 매질로서 이용된다. 일 예로, 물은 증류수일 수 있다.And, a pair of transducers 110 of the apparatus 100 for predicting bone density and bone structure according to an embodiment of the present invention may be installed in water. In this case, water has acoustic properties similar to those of soft tissues of the human body, and is used as an ultrasonic wave propagation medium. For example, the water may be distilled water.

파형 발생부(120)는 송신초음파에 대한 전기적 신호를 생성하여 송신부(111)에 제공하며, 파형 발생부(120)가 생성하는 전기적 신호는 펄스 형태 혹은 연속파 형태가 될 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에서는 펄스 형태의 송신초음파를 발생시키기 위한 전기적 신호를 생성하여 송신부(111)에 제공하였다.The waveform generator 120 generates an electrical signal for the transmitted ultrasonic wave and provides it to the transmitter 111 , and the electrical signal generated by the waveform generator 120 may be in the form of a pulse or continuous wave. At this time, in an embodiment of the present invention, an electrical signal for generating a transmission ultrasonic wave in the form of a pulse is generated and provided to the transmission unit 111 .

분석부(130)는 상기 수신부(112)가 수신한 수신초음파의 전기적 신호를 분석하여 0.2 MHz 내지 0.6 MHz 범위의 주파수영역에 대한 감쇠계수 및 위상속도를 계산하며, 계산된 감쇠계수 및 위상속도 각각과 초음파 주파수 간의 비선형 회귀분석을 수행하여 회귀 방정식을 도출하고, 도출된 회귀 방정식의 계수를 변수로 추출할 수 있다. 이때, 분석부(130)는 수신초음파의 전기적 신호를 분석하는 과정에서 증폭 및 필터링 하는 등의 신호처리과정을 수행할 수 있다.The analysis unit 130 analyzes the electrical signal of the received ultrasonic wave received by the receiving unit 112 and calculates an attenuation coefficient and a phase velocity for a frequency region in the range of 0.2 MHz to 0.6 MHz, and the calculated attenuation coefficient and phase velocity, respectively A regression equation may be derived by performing a nonlinear regression analysis between the and ultrasonic frequency, and coefficients of the derived regression equation may be extracted as variables. At this time, the analysis unit 130 may perform a signal processing process such as amplification and filtering in the process of analyzing the electrical signal of the received ultrasonic wave.

예측부(140)는 해면질골(T)의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나가 종속변수이고, 적어도 둘 이상의 변수가 독립변수로 이루어진 다중회귀모델에 분석부(130)에서 추출된 변수를 독립변수로 적용하여 상기 해면질골의 골밀도와 골구조를 예측한다. The prediction unit 140 uses the variable extracted from the analysis unit 130 as an independent variable in a multiple regression model in which any one of bone density and bone structure of the cancellous bone (T) is a dependent variable, and at least two or more variables are independent variables. It is applied to predict the bone density and bone structure of the cancellous bone.

이때, 도2에 도시된 바와 같이, 해면질골의 골구조는 조직체적에서 골소주(Tb)가 차지하는 골체적의 비로 나타내는 골용적 비율(bone volume/ tissue volume, BT/TV), 골소주 두께(trabecular thickness; Tb.Th) 및 골소주(Tb) 간의 간격을 의미하는 골소주 간격(trabecular spacing; Tb.Sp) 중 적어도 어느 하나를 포함한다. At this time, as shown in Figure 2, the bone structure of cancellous bone is a bone volume ratio (bone volume/tissue volume, BT/TV), which is expressed as the ratio of the bone volume occupied by the bone trabeculae (Tb) to the tissue volume, and the trabecular thickness ; Tb.Th) and at least one of trabecular spacing (Tb.Sp), which means the spacing between the trabecular trabeculae (Tb).

또한, 예측부(140)에 포함되는 다중회귀모델은 해면질골(T) 뿐 아니라 피질골(C)과 연부조직이 포함된 경우 이루어진 측정에 대한 결과가 포함될 수 있다.In addition, the multiple regression model included in the prediction unit 140 may include results of measurements made when not only the spongy bone (T) but also the cortical bone (C) and soft tissue are included.

상술한 분석부(130) 및 예측부(140)에서 수행하는 변수추출과 더불어 골밀도 및 골구조 예측에 관한 자세한 설명은 후술할 초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법에서 언급하고자 한다.A detailed description of the prediction of bone density and bone structure as well as the variable extraction performed by the analysis unit 130 and the prediction unit 140 described above will be mentioned in the method for predicting bone density and bone structure using the ultrasonic damping coefficient and phase velocity to be described later. .

이때, 초음파 측정을 통해 도출된 변수는 예측부(140)에 포함된 다중회귀모델을 통해 해당 변수에 대응되는 골밀도 및 골구조가 도출될 수 있고, 이로부터 예측되는 골다공증 진단 결과를 예측할 수 있다.In this case, from the variables derived through ultrasound measurement, the bone density and bone structure corresponding to the variables may be derived through the multiple regression model included in the prediction unit 140 , and the predicted osteoporosis diagnosis result may be predicted therefrom.

참고로, 다중회귀모델은 사전에 측정된 다수 개의 해면질골 샘플로부터 추출된 복수의 변수를 독립변수로 하고, 해면질골 샘플의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나를 종속변수로 하여, 복수의 독립변수와 각 종속변수와의 다중회귀분석을 수행하여 도출된 회귀 방정식으로, 예측부(140)에 기 저장되어 있을 수 있다. For reference, the multiple regression model uses a plurality of variables extracted from a plurality of pre-measured cancellous bone samples as independent variables, and any one of bone density and bone structure of the cancellous bone sample as a dependent variable, As a regression equation derived by performing multiple regression analysis with each dependent variable, it may be pre-stored in the predictor 140 .

출력부(150)는 예측부(140)로부터 예측된 골밀도와 상기 해면질골의 골용적 비율(BT/TV), 골소주 두께(Tb.Th) 및 골소주 간격(Tb.Sp) 중 어느 하나를 포함하는 골구조를 출력할 수 있다. 이때, 출력부(150)는 측정을 통해 도출된 골밀도 및 골구조로부터 예측되는 골다공증 진단 결과를 함께 출력할 수 있다.The output unit 150 includes any one of the bone density predicted from the prediction unit 140 and the bone volume ratio (BT/TV) of the cancellous bone, the trabecular trabecular thickness (Tb.Th) and the trabecular trabecular interval (Tb.Sp) Bone structure can be printed. At this time, the output unit 150 may output the osteoporosis diagnosis result predicted from the bone density and bone structure derived through the measurement together.

이때, 출력부(150)는 상술한 출력 내용을 영상, 소리, 인쇄물 중 적어도 어느 하나로 제공할 수 있도록 디스플레이 모니터, 음향재생장치, 인쇄장치 등으로 마련될 수 있다.In this case, the output unit 150 may be provided as a display monitor, a sound reproducing device, a printing device, etc. to provide the above-described output contents in at least one of an image, a sound, and a print.

<초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측 방법에 관한 설명><Description of the method for predicting bone density and bone structure using ultrasonic damping coefficient and phase velocity>

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법을 도시한 흐름도이며, 도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 분석단계에서 계산된 0.2 MHz 내지 0.6 MHz 범위의 주파수영역에서 (a) 감쇠계수 및 (b) 위상속도를 도시한 그래프이고, 도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법에 있어서, 새로운 파라미터인 제1 변수 및 제2 변수를 적용한 다중회귀모델로부터 예측된 골밀도 및 골구조의 신뢰성을 설명하기 위하여 예시한 것으로, 단순회귀모델과 다중회귀모델의 결정계수를 비교한 표이다.3 is a flowchart illustrating a method for predicting bone density and bone structure using ultrasound attenuation coefficient and phase velocity according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is 0.2 calculated in the first analysis step according to an embodiment of the present invention. In the frequency range from MHz to 0.6 MHz (a) is a graph showing the attenuation coefficient and (b) the phase velocity, and FIG. 5 is a first, new parameter, in the method for predicting bone density and bone structure using the ultrasonic damping coefficient and phase velocity according to an embodiment of the present invention. As an example to explain the reliability of bone density and bone structure predicted from the multiple regression model to which the variable and the second variable are applied, this table compares the coefficients of determination of the simple regression model and the multiple regression model.

1. 측정단계<S100>1. Measurement step <S100>

측정단계(S100)는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서(110) 사이에 위치한 해면질골(T)에 어느 하나의 트랜스듀서(111, 이하, ‘송신부’라 칭함.)가 송신초음파를 조사하여, 다른 하나의 트랜스듀서(112, 이하, ‘수신부’라 칭함.)가 해면질골(T)을 투과한 수신초음파를 수신하는 단계이다.In the measuring step (S100), any one of the transducers (111, hereinafter, referred to as a 'transmitter') irradiates the transmission ultrasound to the spongy bone (T) located between the pair of ultrasound transducers 110, and the other of the transducer (112, hereinafter referred to as a 'receiver') is a step of receiving the receiving ultrasound that has passed through the spongy bone (T).

이때, 송신초음파는 펄스 형태로 마련될 수 있으며, 파형 발생부(120)가 펄스파에 대한 전기적 신호를 송신부(111)에 전송하면, 송신부(111)는 해당 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하여 펄스 형태의 송신초음파를 발생시키고, 발생된 펄스 형태의 송신초음파는 해면질골(T)을 투과하게 된다. 이후, 해면질골(T)을 투과한 초음파는 수신부(112)에 수신되고, 수신부(112)는 수신한 수신초음파를 전기적 신호로 변환한다. At this time, the transmission ultrasound may be provided in the form of a pulse, and when the waveform generating unit 120 transmits an electrical signal for the pulse wave to the transmitting unit 111 , the transmitting unit 111 converts the electrical signal into an ultrasound signal and pulses Transmission ultrasound in the form of a pulse is generated, and the transmitted ultrasound in the form of a pulse is transmitted through the spongy bone (T). Thereafter, the ultrasonic wave passing through the spongy bone (T) is received by the receiver 112, the receiver 112 converts the received ultrasonic wave into an electrical signal.

여기서, 송신부(111)와 수신부(112)는 송수신하는 일면이 마주보도록 위치하며, 송신부(111)와 수신부(112)간의 사이 거리는 트랜스듀서(110)의 근거리 음장(Near Filed)에 의해 결정될 수 있다. Here, the transmitter 111 and the receiver 112 are positioned so that one side of the transmitter and receiver faces to each other, and the distance between the transmitter 111 and the receiver 112 may be determined by the near field of the transducer 110. .

이때, 여기서, 송신부(111) 및 수신부(112)는 직경 25.4 mm와 중심주파수 0.5 MHz를 가지는 비 집속형 트랜스듀서가 이용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. In this case, the transmitter 111 and the receiver 112 may use a non-focused transducer having a diameter of 25.4 mm and a center frequency of 0.5 MHz, but is not limited thereto.

참고로, 근거리 음장은 비 집속형 트랜스듀서를 통해 초음파가 발생할 경우 초음파의 빔 폭이 가장 좁아지는 지점을 의미하며, 해면질골은 그 중심이 송신부(111)의 근거리 음장 길이(NFD)와 일치하는 지점에 위치시킨다.For reference, the near sound field refers to the point at which the beam width of the ultrasound is the narrowest when ultrasound is generated through the non-focused transducer, and the spongy bone has a center that coincides with the near field length (NFD) of the transmitter 111. placed at the point.

2. 제1 분석단계<S200>2. First analysis step <S200>

분석단계(S200)는 측정단계(S100)에서 수신된 수신초음파의 전기적 신호를 분석하여 0.2 MHz 내지 0.6 MHz 범위의 주파수 영역에 대한 감쇠계수 및 위상속도를 계산하는 단계이다.The analysis step (S200) is a step of analyzing the electrical signal of the received ultrasound received in the measurement step (S100) to calculate the attenuation coefficient and the phase speed for the frequency region in the range of 0.2 MHz to 0.6 MHz.

이때, 해면질골의 감쇠계수는 하기 수학식 1을 통해 계산된다. At this time, the attenuation coefficient of the spongy bone is calculated through Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019117854291-pat00022
Figure 112019117854291-pat00022

(여기서,

Figure 112019117854291-pat00023
[dB/cm]는 해면질골의 감쇠계수, d는 해면질골의 두께,
Figure 112019117854291-pat00024
Figure 112019117854291-pat00025
는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서 사이에 해면질골이 없는 경우와 있는 경우에 각각 수신된 신호의 파워스펙트럼레벨)(here,
Figure 112019117854291-pat00023
[dB/cm] is the attenuation coefficient of spongy bone, d is the thickness of spongy bone,
Figure 112019117854291-pat00024
and
Figure 112019117854291-pat00025
is the power spectrum level of the received signal when there is no cancellous bone between the pair of ultrasonic transducers, respectively)

그리고, 해면질골의 위상속도는 하기 수학식 2를 통해 계산된다.And, the phase velocity of the spongy bone is calculated through Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019117854291-pat00026
Figure 112019117854291-pat00026

(여기서,

Figure 112019117854291-pat00027
[m/s]는 해면질골의 위상속도,
Figure 112019117854291-pat00028
는 주파수, d는 해면질골의 두께,
Figure 112019117854291-pat00029
는 온도에 의존하는 수중에서의 음속(1482m/s, 20℃),
Figure 112019117854291-pat00030
는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서 사이에 해면질골이 없는 경우와 있는 경우에 각각 수신된 신호의 위상차) (here,
Figure 112019117854291-pat00027
[m/s] is the phase velocity of cancellous bone,
Figure 112019117854291-pat00028
is the frequency, d is the thickness of the spongy bone,
Figure 112019117854291-pat00029
is the temperature-dependent speed of sound in water (1482 m/s, 20 °C),
Figure 112019117854291-pat00030
is the phase difference of the received signal between a pair of ultrasonic transducers in the absence and presence of spongy bone)

3. 제2 분석단계<S300>3. Second analysis step <S300>

제2 분석단계(S300)는 제1 분석단계(S300)에서 계산된 감쇠계수 및 위상속도 각각과 초음파 주파수 간의 비선형 회귀분석을 수행하여 회귀 방정식을 도출하고, 도출된 회귀 방정식의 계수를 변수로 추출하는 단계이다.The second analysis step (S300) derives a regression equation by performing a nonlinear regression analysis between the ultrasonic frequency and each of the attenuation coefficient and phase velocity calculated in the first analysis step (S300), and extracts the coefficient of the derived regression equation as a variable is a step to

이때, 제2 분석단계(S300)는 도출단계(S310) 및 추출단계(S320)를 포함한다.At this time, the second analysis step (S300) includes a derivation step (S310) and an extraction step (S320).

여기서, 도출단계(S310)는 제1 분석단계(S200)에서 계산된 감쇠계수 및 위상속도 중 어느 하나와 초음파 주파수 간의 비선형 회귀 분석을 통해 회귀 방정식인 하기의 수학식 3 및 수학식 4를 도출하는 단계이다. Here, the derivation step (S310) is to derive the following equations (3) and (4), which are regression equations, through nonlinear regression analysis between the ultrasonic frequency and any one of the attenuation coefficient and the phase velocity calculated in the first analysis step (S200). is a step

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019117854291-pat00031
Figure 112019117854291-pat00031

(여기서,

Figure 112019117854291-pat00032
[dB/cm]는 초음파 감쇠계수,
Figure 112019117854291-pat00033
는 y절편,
Figure 112019117854291-pat00034
[
Figure 112019117854291-pat00035
]은 계수, f는 주파수, n은 지수)(here,
Figure 112019117854291-pat00032
[dB/cm] is the ultrasonic attenuation coefficient,
Figure 112019117854291-pat00033
is the y-intercept,
Figure 112019117854291-pat00034
[
Figure 112019117854291-pat00035
] is the coefficient, f is the frequency, n is the exponent)

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019117854291-pat00036
Figure 112019117854291-pat00036

(여기서,

Figure 112019117854291-pat00037
[m/s]는 위상속도,
Figure 112019117854291-pat00038
는 y절편,
Figure 112019117854291-pat00039
[
Figure 112019117854291-pat00040
]은 계수, n은 지수) (here,
Figure 112019117854291-pat00037
[m/s] is the phase velocity,
Figure 112019117854291-pat00038
is the y-intercept,
Figure 112019117854291-pat00039
[
Figure 112019117854291-pat00040
] is the coefficient, n is the exponent)

그리고, 추출단계(S320)는 도출단계(S310)에서 도출된 수학식 3 및 수학식 4를 통해

Figure 112019117854291-pat00041
(이하, ‘제1 변수’라 칭함) 및
Figure 112019117854291-pat00042
(이하, ‘제2 변수’라 칭함)을 변수로 추출하는 단계이다.And, the extraction step (S320) through Equations 3 and 4 derived in the derivation step (S310)
Figure 112019117854291-pat00041
(hereinafter referred to as the 'first variable') and
Figure 112019117854291-pat00042
(hereinafter referred to as a 'second variable') is a step of extracting as a variable.

도4를 참조하여, 제1 변수 및 제2 변수에 대해 좀 더 자세히 설명하자면, 도4(a)는 0.2 MHz 내지 0.6 MHz 범위의 주파수영역에서의 감쇠계수를 도시한 그래프로, 비선형 회귀 분석(Nonlinear power fit)을 수행하여, 비선형 멱함수 법칙(nonlinear power law) 형태의 상술한 수학식 3을 도출할 수 있다. 여기서, 제1 변수인

Figure 112019117854291-pat00043
[
Figure 112019117854291-pat00044
]은 주파수 변화에 따른 감쇠계수의 변화량 즉, 계수의 크기(magnitude)를 나타내며, 지수 n은 대역폭 내에서 감쇠계수의 주파수 의존성을 나타낸다.Referring to FIG. 4, to describe the first variable and the second variable in more detail, FIG. 4(a) is a graph showing the attenuation coefficient in the frequency domain in the range of 0.2 MHz to 0.6 MHz, and a nonlinear regression analysis ( By performing a nonlinear power fit, the above-described Equation 3 in the form of a nonlinear power law may be derived. Here, the first variable
Figure 112019117854291-pat00043
[
Figure 112019117854291-pat00044
] indicates the amount of change of the attenuation coefficient according to the frequency change, that is, the magnitude of the coefficient, and the exponent n indicates the frequency dependence of the attenuation coefficient within the bandwidth.

그리고, 도4(b)는 0.2 MHz 내지 0.6 MHz 범위의 주파수 영역에서의 위상속도를 도시한 그래프로, 비선형 회귀 분석(Nonlinear power fit)을 수행하여, 비선형 멱함수 법칙(nonlinear power law) 형태의 상술한 수학식 4를 도출할 수 있다. 여기서, 제2 변수인

Figure 112021042801901-pat00045
[
Figure 112021042801901-pat00046
]은 주파수 변화에 따른 위상속도의 변화량 즉, 분산율(dispersion rate)를 나타내며, 지수 n은 대역폭 내에서 위상속도의 주파수 의존성을 나타낸다.And, Figure 4(b) is a graph showing the phase velocity in the frequency domain in the range of 0.2 MHz to 0.6 MHz, by performing a nonlinear regression analysis (Nonlinear power fit), a nonlinear power law (nonlinear power law) form Equation 4 described above can be derived. Here, the second variable
Figure 112021042801901-pat00045
[
Figure 112021042801901-pat00046
] represents the amount of change of the phase speed according to the frequency change, that is, the dispersion rate, and the exponent n represents the frequency dependence of the phase speed within the bandwidth.

이때, 본 발명은 골밀도 예측을 위해 제시되었던 종래의 파라미터 외에도 새로운 파라미터인

Figure 112019117854291-pat00047
Figure 112019117854291-pat00048
를 통한 골밀도 및 골구조 예측결과를 제공함으로써, 종래의 음속 및 광대역 초음파 감쇠만을 이용해 골밀도를 측정하던 방식에 비해 골다공증 진단의 정확도를 향상시킬 수 있다.At this time, the present invention is a new parameter in addition to the conventional parameters presented for the prediction of bone density.
Figure 112019117854291-pat00047
and
Figure 112019117854291-pat00048
By providing the results of bone density and bone structure prediction through , it is possible to improve the accuracy of osteoporosis diagnosis compared to the conventional method of measuring bone density using only sound velocity and broadband ultrasound attenuation.

참고로, 상술한 제1 분석단계(S200) 및 제2 분석단계(S300)는 분석부(130)에서 수행될 수 있다.For reference, the above-described first analysis step ( S200 ) and the second analysis step ( S300 ) may be performed by the analysis unit 130 .

4. 예측단계<S400>4. Prediction step <S400>

예측단계(S400)는 예측부(140)에서 이루어지며, 해면질골의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나가 종속변수이고, 적어도 둘 이상의 변수가 독립변수로 이루어진 다중회귀모델에 상기 제2 분석단계(S300)에서 추출된 변수를 독립변수로 적용하여 상기 해면질골의 골밀도와 골구조를 예측하는 단계이다. 여기서, 해면질골의 골구조는 상기 해면질골의 골용적 비율(BT/TV), 골소주 두께(Tb.Th) 및 골소주 간격(Tb.Sp) 중 적어도 어느 하나를 포함한다.The prediction step (S400) is performed in the prediction unit 140, and the second analysis step (S300) is performed in a multiple regression model in which any one of the bone density and bone structure of cancellous bone is a dependent variable, and at least two or more variables are independent variables. ) is a step of predicting the bone density and bone structure of the cancellous bone by applying the extracted variables as independent variables. Here, the bone structure of the cancellous bone includes at least one of a bone volume ratio (BT/TV), a trabecular thickness (Tb.Th), and a trabecular distance (Tb.Sp) of the cancellous bone.

여기서, 예측단계(S400)는 해면질골의 골밀도, 골용적 비율(BT/TV), 골소주 두께(Tb.Th) 및 골소주 간격(Tb.Sp)를 종속변수로 하여, 각각의 종속변수와 제1 변수 및 제2 변수를 포함하는 독립변수를 다중 회귀 분석을 수행하여 도출된 회귀 방정식 즉, 다중회귀모델로부터 골밀도 및 골구조를 예측할 수 있다.Here, in the prediction step (S400), each dependent variable and the first trabecular bone density, bone volume ratio (BT/TV), trabecular thickness (Tb. Bone density and bone structure can be predicted from a regression equation derived by performing multiple regression analysis on the independent variable including the variable and the second variable, ie, from the multiple regression model.

이때, 예측단계(S400)에서 해면질골의 골밀도 및 골구조를 함께 예측하기 위해 이용되는 다중회귀모델은 측정단계(S100) 이전에 수행되는 다중회귀모델 생성단계(미도시)를 통해 획득할 수 있다. 이때, 다중회귀모델 생성단계는 다수개의 해면질골 샘플로부터 사전에 측정된 제1 변수 및 제2 변수를 독립변수로 하고, 상기 해면질골 샘플의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나를 종속변수로 하여, 복수의 독립변수와 각 종속변수의 다중 회귀 분석(multiple regression analysis)을 수행하고, 이로부터 도출된 회귀 방정식을 다중회귀모델로 획득하는 단계이다. 경우에 따라, 다중회귀모델을 생성하기 위한 독립변수에는 제1 변수 및 제2 변수 외에도 해면질골의 감쇠계수 및 위상속도가 포함되는 것이 가능할 수 있다.At this time, the multiple regression model used to predict the bone density and bone structure of cancellous bone together in the prediction step (S400) can be obtained through the multiple regression model generation step (not shown) performed before the measurement step (S100). . In this case, in the multiple regression model generation step, the first variable and the second variable measured in advance from a plurality of cancellous bone samples are used as independent variables, and any one of the bone density and bone structure of the cancellous bone sample is used as a dependent variable. In this step, multiple regression analysis is performed on the independent variable and each dependent variable, and the regression equation derived therefrom is obtained as a multiple regression model. In some cases, it may be possible to include the damping coefficient and phase velocity of cancellous bone in addition to the first and second variables as the independent variable for generating the multiple regression model.

참고로, 제1 변수 및 제2 변수를 독립변수로 하고, 골밀도 또는 골구조를 종속변수로 하여 회귀 분석을 수행하여 획득한 다중회귀모델은 하기 수학식 5로 표현될 수 있다. For reference, a multiple regression model obtained by performing regression analysis using the first variable and the second variable as independent variables and bone density or bone structure as a dependent variable may be expressed by Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112019117854291-pat00049
Figure 112019117854291-pat00049

(여기서, y는 종속변수(골밀도 또는 골구조),

Figure 112019117854291-pat00050
Figure 112019117854291-pat00051
는 독립변수(제1 변수 및 제2 변수), a 및 b는 계수, c는 y절편) (where y is the dependent variable (bone density or bone structure),
Figure 112019117854291-pat00050
and
Figure 112019117854291-pat00051
is the independent variable (first variable and second variable), a and b are coefficients, c is the y-intercept)

다중회귀모델에 대하여 좀 더 자세히 설명하면, 사전에 측정된 다수개의 해면질골 샘플에 대한 다중회귀분석을 통해 상기 수학식 5에서 a, b, c에 해당하는 회귀계수를 도출할 수 있으며, 이로부터 회귀계수가 대입된 회귀 방정식을 획득할 수 있다.To describe the multiple regression model in more detail, regression coefficients corresponding to a, b, and c in Equation 5 can be derived through multiple regression analysis on a plurality of pre-measured cancellous bone samples, and from this A regression equation to which the regression coefficient is substituted can be obtained.

이후, 기 저장된 상기 수학식 5와 같은 형태로 마련된 회귀 방정식에 측정하고자하는 해면질골로부터 추출된 복수의 변수를 대입하여 골밀도와 골구조를 함께 예측하는 것이 가능하다.Thereafter, it is possible to predict the bone density and bone structure together by substituting a plurality of variables extracted from cancellous bone to be measured into the pre-stored regression equation prepared in the form of Equation 5 above.

이때, 본 발명은 골밀도와 골구조를 함께 평가함에 따라 골밀도의 변화뿐 아니라 골구조 변화로 인해 발생하는 골다공증의 원인 규명 및 진단이 가능하여, 골다공증 진단의 정확도를 향상시킬 수 있다.In this case, in the present invention, by evaluating bone density and bone structure together, it is possible to identify and diagnose the cause of osteoporosis caused by changes in bone structure as well as changes in bone density, thereby improving the accuracy of diagnosis of osteoporosis.

4. 출력단계<S500>4. Output step <S500>

출력단계(S500)는 예측단계(S400)에서 예측된 결과를 출력하는 단계이다.The output step ( S500 ) is a step of outputting the result predicted in the prediction step ( S400 ).

여기서, 예측된 골밀도 및 골구조는 출력부(150)에 의해 영상, 소리, 인쇄물 중 적어도 어느 하나로 제공될 수 있다. 이때, 예측된 결과는 골밀도 및 골구조와 더불어 이로부터 예상되는 골다공증 진단 결과를 포함할 수 있다.Here, the predicted bone density and bone structure may be provided by the output unit 150 as at least one of an image, a sound, and a print. In this case, the predicted results may include osteoporosis diagnosis results expected therefrom along with bone density and bone structure.

한편, 도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법에 있어서, 새로운 파라미터인 제1 변수 및 제2 변수를 적용한 다중회귀모델로부터 예측된 골밀도 및 골구조의 신뢰성을 설명하기 위하여 예시한 것으로, 단순회귀모델과 다중회귀모델의 결정계수 R2 (Pearson 상관계수 R의 제곱)를 비교한 표이다.Meanwhile, FIG. 5 is a method for predicting bone density and bone structure using an ultrasonic damping coefficient and a phase velocity according to an embodiment of the present invention. As an example to explain the reliability of the bone structure, this table compares the coefficient of determination R 2 (the square of the Pearson correlation coefficient R) of the simple regression model and the multiple regression model.

도5의 결과를 제시하기 위하여, 인체의 해면질골(T)은 유사한 구조 및 음향 특성을 가지는 소의 대퇴골 근위부를 이용하여 제작된 직육면체 형태를 갖는 22개의 해면질골 샘플을 대상으로 0.5 MHz의 중심주파수를 갖는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서를 이용하여 0.2 MHz 내지 0.6 MHz 주파수영역에 대하여 감쇠계수 및 위상속도를 동시에 측정하고, 측정된 감쇠계수 및 위상속도로부터 제1 변수(

Figure 112019117854291-pat00052
) 및 제2 변수(
Figure 112019117854291-pat00053
)를 추출하였다.In order to present the results of Fig. 5, the human cancellous bone (T) was subjected to a center frequency of 0.5 MHz for 22 spongy bone samples having a rectangular parallelepiped shape manufactured using the proximal part of a cow's femur with similar structural and acoustic characteristics. The attenuation coefficient and the phase velocity are simultaneously measured in the 0.2 MHz to 0.6 MHz frequency region using a pair of ultrasonic transducers having
Figure 112019117854291-pat00052
) and the second variable (
Figure 112019117854291-pat00053
) was extracted.

이때, 단순회귀모델은 골밀도 및 골구조 중 어느 하나를 종속변수로 하고, 제1 변수(

Figure 112021042801901-pat00054
) 또는 제2 변수(
Figure 112021042801901-pat00055
)를 독립변수로 하여, 각 독립변수와 종속변수를 회귀 분석한 것이며, 다중회귀모델은 골밀도 및 골구조 중 어느 하나를 종속변수로 하고, 제1 변수(
Figure 112021042801901-pat00056
) 및 제2 변수(
Figure 112021042801901-pat00057
)를 독립변수로 하여, 각 종속변수와 독립변수를 회귀 분석한 것이다. In this case, the simple regression model uses any one of bone density and bone structure as a dependent variable, and the first variable (
Figure 112021042801901-pat00054
) or the second variable (
Figure 112021042801901-pat00055
) as an independent variable, regression analysis of each independent variable and dependent variable is carried out.
Figure 112021042801901-pat00056
) and the second variable (
Figure 112021042801901-pat00057
) as an independent variable, regression analysis of each dependent variable and independent variable is performed.

도5를 참조하면, 단순회귀모델의 결정계수에 비해 다중회귀모델의 결정계수가 더 큰 값을 가지는 것으로 나타났다. 이와 같이 해면질골의 감쇠계수 및 위상속도의 비선형 회귀분석을 통해 획득된 두 개의 초음파 변수 각각을 독립변수로 하여 해면질골의 골밀도 및 골구조를 예측하는 것에 비해 두 개의 초음파 변수를 모두 독립변수로 하는 다중회귀모델을 이용하는 것이 해면질골의 골밀도 및 골구조를 더욱 정확하게 예측할 수 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5 , it was found that the coefficient of determination of the multiple regression model was larger than that of the simple regression model. In this way, compared to predicting the bone density and bone structure of cancellous bone by using each of the two ultrasound variables obtained through nonlinear regression analysis of the attenuation coefficient and phase velocity of cancellous bone as independent variables, both ultrasound variables are used as independent variables. It can be confirmed that using a multiple regression model can more accurately predict the bone density and bone structure of cancellous bone.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시 예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시 예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시 예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 균등개념으로 이해되어져야 할 것이다.As described above, the detailed description of the present invention has been made by the embodiments with reference to the accompanying drawings, but since the above-described embodiments have only been described with preferred examples of the present invention, the present invention is limited only to the above embodiments It should not be understood as being, and the scope of the present invention should be understood as the following claims and their equivalents.

100 : 초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측장치
110 : 한 쌍의 초음파 트랜스듀서
111 : 송신부
112 : 수신부
120 : 파형 발생부
130 : 분석부
140 : 예측부
150 : 출력부
C : 피질골
T : 해면질골
Tb : 골소주
Tb.Sp : 골소주 간격
Tb.Th : 골소주 두께
100: Bone density and bone structure prediction device using ultrasonic damping coefficient and phase velocity
110: a pair of ultrasonic transducers
111: transmitter
112: receiver
120: waveform generator
130: analysis unit
140: prediction unit
150: output unit
C: cortical bone
T: spongy bone
Tb: bone shochu
Tb.Sp: trabecular distance
Tb.Th: thickness of bone trabeculae

Claims (5)

한 쌍의 초음파 트랜스듀서(transducer) 사이에 위치한 해면질골에 어느 하나의 트랜스듀서가 송신초음파를 조사하여, 다른 하나의 트랜스듀서가 상기 해면질골을 투과한 수신초음파를 수신하는 측정단계;
상기 측정단계에서 수신된 수신초음파의 전기적 신호를 분석하여 0.2 MHz 내지 0.6 MHz 범위의 주파수영역에 대한 감쇠계수 및 위상속도를 계산하는 제1 분석단계;
상기 제1 분석단계에서 계산된 감쇠계수 및 위상속도 각각과 초음파 주파수 간의 비선형 회귀분석을 수행하여 회귀 방정식을 도출하고, 도출된 회귀 방정식의 계수를 변수로 추출하는 제2 분석단계; 및
상기 해면질골의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나가 종속변수이고, 적어도 둘 이상의 변수가 독립변수로 이루어진 다중회귀모델에 상기 제2 분석단계에서 추출된 변수를 독립변수로 적용하여 상기 해면질골의 골밀도와 골구조를 예측하는 예측단계; 를 포함하며,
상기 제1 분석단계에서 상기 감쇠계수는 하기 수학식 1을 통해 계산되고, 상기 위상속도는 하기 수학식 2를 통해 계산되는 것을 특징으로 하는
초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법.

[수학식 1]
Figure 112021042801901-pat00058

(여기서,
Figure 112021042801901-pat00059
[dB/cm]는 해면질골의 감쇠계수, d는 해면질골의 두께,
Figure 112021042801901-pat00060
Figure 112021042801901-pat00061
는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서 사이에 해면질골이 없는 경우와 있는 경우에 각각 수신된 신호의 파워스펙트럼레벨)

[수학식 2]
Figure 112021042801901-pat00062

(여기서,
Figure 112021042801901-pat00063
[m/s]는 해면질골의 위상속도,
Figure 112021042801901-pat00064
는 주파수, d는 해면질골의 두께,
Figure 112021042801901-pat00065
는 온도에 의존하는 수중에서의 음속(1482m/s, 20℃),
Figure 112021042801901-pat00066
는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서 사이에 해면질골이 없는 경우와 있는 경우에 각각 수신된 신호의 위상차)
A measuring step of irradiating a transmitting ultrasound wave to the cancellous bone positioned between a pair of ultrasound transducers, and receiving the receiving ultrasound wave passing through the spongy bone by the other transducer;
a first analysis step of analyzing the electrical signal of the received ultrasonic wave received in the measuring step to calculate an attenuation coefficient and a phase speed for a frequency region in the range of 0.2 MHz to 0.6 MHz;
a second analysis step of deriving a regression equation by performing nonlinear regression analysis between each of the attenuation coefficient and phase velocity calculated in the first analysis step and the ultrasonic frequency, and extracting the coefficient of the derived regression equation as a variable; and
Any one of the bone density and bone structure of the cancellous bone is a dependent variable, and the variable extracted in the second analysis step is applied as an independent variable to a multiple regression model in which at least two or more variables are independent variables. A prediction step of predicting the bone structure; includes,
In the first analysis step, the attenuation coefficient is calculated through Equation 1 below, and the phase speed is calculated through Equation 2 below.
Bone density and bone structure prediction method using ultrasonic damping coefficient and phase velocity.

[Equation 1]
Figure 112021042801901-pat00058

(here,
Figure 112021042801901-pat00059
[dB/cm] is the attenuation coefficient of spongy bone, d is the thickness of spongy bone,
Figure 112021042801901-pat00060
and
Figure 112021042801901-pat00061
is the power spectrum level of the received signal when there is no cancellous bone between a pair of ultrasound transducers, respectively)

[Equation 2]
Figure 112021042801901-pat00062

(here,
Figure 112021042801901-pat00063
[m/s] is the phase velocity of cancellous bone,
Figure 112021042801901-pat00064
is the frequency, d is the thickness of the spongy bone,
Figure 112021042801901-pat00065
is the temperature-dependent speed of sound in water (1482 m/s, 20 °C),
Figure 112021042801901-pat00066
is the phase difference of the received signal between a pair of ultrasonic transducers in the absence and presence of spongy bone)
제1항에 있어서,
상기 제2 분석단계는,
상기 제1 분석단계에서 계산된 감쇠계수 및 위상속도 중 어느 하나와 초음파 주파수 간의 비선형 회귀 분석을 통해 회귀 방정식인 하기의 수학식 3 및 수학식 4를 도출하는 도출단계; 및
상기 도출단계에서 도출된 수학식 3 및 수학식4를 통해
Figure 112019117854291-pat00067
(이하, ‘제1 변수’라 칭함) 및
Figure 112019117854291-pat00068
(이하, ‘제2 변수’라 칭함)을 변수로 추출하는 추출단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법.
[수학식 3]
Figure 112019117854291-pat00069

(여기서,
Figure 112019117854291-pat00070
[dB/cm]는 초음파 감쇠계수,
Figure 112019117854291-pat00071
는 y절편,
Figure 112019117854291-pat00072
[
Figure 112019117854291-pat00073
]은 계수, f는 주파수, n은 지수)

[수학식 4]
Figure 112019117854291-pat00074

(여기서,
Figure 112019117854291-pat00075
[m/s]는 위상속도,
Figure 112019117854291-pat00076
는 y절편,
Figure 112019117854291-pat00077
[
Figure 112019117854291-pat00078
]은 계수, n은 지수)
According to claim 1,
The second analysis step is,
a derivation step of deriving the following Equations 3 and 4, which are regression equations, through nonlinear regression analysis between the ultrasonic frequency and any one of the attenuation coefficient and the phase velocity calculated in the first analysis step; and
Through Equations 3 and 4 derived in the derivation step,
Figure 112019117854291-pat00067
(hereinafter referred to as the 'first variable') and
Figure 112019117854291-pat00068
an extraction step of extracting (hereinafter referred to as a 'second variable') as a variable; characterized by comprising
Bone density and bone structure prediction method using ultrasonic damping coefficient and phase velocity.
[Equation 3]
Figure 112019117854291-pat00069

(here,
Figure 112019117854291-pat00070
[dB/cm] is the ultrasonic attenuation coefficient,
Figure 112019117854291-pat00071
is the y-intercept,
Figure 112019117854291-pat00072
[
Figure 112019117854291-pat00073
] is the coefficient, f is the frequency, n is the exponent)

[Equation 4]
Figure 112019117854291-pat00074

(here,
Figure 112019117854291-pat00075
[m/s] is the phase velocity,
Figure 112019117854291-pat00076
is the y-intercept,
Figure 112019117854291-pat00077
[
Figure 112019117854291-pat00078
] is the coefficient, n is the exponent)
제2항에 있어서,
상기 해면질골의 골구조는 상기 해면질골의 골용적 비율(BT/TV), 골소주 두께(Tb.Th) 및 골소주 간격(Tb.Sp) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법.
3. The method of claim 2,
The bone structure of the cancellous bone is characterized in that it comprises at least one of a bone volume ratio (BT/TV), a trabecular thickness (Tb.Th), and a trabecular distance (Tb.Sp) of the cancellous bone
Bone density and bone structure prediction method using ultrasonic damping coefficient and phase velocity.
제3항에 있어서,
다수개의 해면질골 샘플로부터 사전에 측정된 제1 변수 및 제2 변수를 독립변수로 하고, 상기 해면질골 샘플의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나를 종속변수로 하여, 복수의 독립변수와 각 종속변수의 다중 회귀 분석(multiple regression analysis)을 수행하고, 이로부터 도출된 지표 방정식을 다중회귀모델로 획득하는 다중회귀모델 생성단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법.
4. The method of claim 3,
The first variable and the second variable measured in advance from a plurality of cancellous bone samples are used as independent variables, and any one of bone density and bone structure of the cancellous bone sample is used as a dependent variable. a multiple regression model generation step of performing multiple regression analysis and obtaining an index equation derived therefrom as a multiple regression model; characterized by comprising
Bone density and bone structure prediction method using ultrasonic damping coefficient and phase velocity.
제1항에 있어서,
상기 골밀도 및 골구조 예측단계에서 예측된 결과를 출력하는 출력단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법.
According to claim 1,
An output step of outputting the results predicted in the bone density and bone structure prediction step; characterized in that it further comprises
Bone density and bone structure prediction method using ultrasonic damping coefficient and phase velocity.
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