KR102489416B1 - 손톱 주름의 스펙클 패턴에 기반하여 적혈구의 영률을 추정하는 방법 및 장치 - Google Patents

손톱 주름의 스펙클 패턴에 기반하여 적혈구의 영률을 추정하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

손톱 주름의 스펙클 패턴에 기반하여 적혈구의 영률을 추정하는 방법 및 장치를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 손톱 주름의 스펙클(speckle) 패턴에 기반하여 적혈구의 영률(young's modulus)을 추정하는 방법으로서, 상기 손톱 주름에 대한 스펙클 원본 이미지들에 기반하여, 상기 스펙클 원본 이미지들에 대한 대비 이미지인 스펙클 대비 이미지들을 생성하는 단계; 상기 스펙클 대비 이미지들에 기반하여, 상기 스펙클 패턴의 특성을 나타내는 유효 파라미터들을 도출하는 단계; 및 상기 유효 파라미터들을 이용하여 상기 적혈구의 영률을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.

Description

손톱 주름의 스펙클 패턴에 기반하여 적혈구의 영률을 추정하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ESTIMATING YOUNG'S MODULUS OF RED BLOOD CELL BASED ON SPECKLE PATTERN OF FINGERNAIL FOLD}
본 발명은 적혈구의 영률을 추정하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 손톱 주름의 스펙클 패턴에 기반하여 비침습적으로 적혈구의 영률을 추정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
적혈구(red blood cell, RBC)의 변형성을 결정하는 주요 요인에는 세포의 기하학적 구조, 내부 점도(viscosity), 막의 유변학적 특성(rheological properties of the membrane), 삼투압(osmotic pressure), 칼슘, 산화질소(nitric oxide), 온도, 노화 및 아데노신 삼인산(adenosine triphosphate)의 고갈 등이 포함된다.
정상적인 상태의 적혈구는 ~8um의 직경, ~2um의 두께, ~135
Figure 112021146475734-pat00001
의 표면적 및 ~90
Figure 112021146475734-pat00002
의 부피를 갖는 양면이 오목한 원판형(biconcave discoid)이다. 적혈구의 모양은 전단의 흐름에 의해 타원체로 변경될 수 있다. 양면이 오목한 원판형의 모양은 적혈구에 비표면적 대 부피 비율(surface area-to volume ratio)을 부여하여 임의의 모양으로 가역적 탄성 변형을 촉진함으로써, 적혈구 모양의 변형을 가능하게 한다.
이러한 적혈구의 변형성을 측정하기 위한 다양한 방법과 기술들이 존재한다. 개별 세포 분석(피펫 흡인 및 광학 핀셋) 방법, 벌크 세포 분석(엑타사이토메트리, 다중 채널) 방법 등이 그 대표적인 예라 할 수 있다.
위와 같은 방법들은 개별 세포들을 혈관계로부터 추출하여 조사하므로 인간의 신체를 침습하여 혈관계로부터 세포들을 추출하는 과정을 필수적으로 수행해야 한다. 따라서, 위 방법들은 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 실험실 또는 병원에서 이루어져야 하는 장소적 제약을 가진다.
본 발명의 일 실시예는, 손톱 주름에 대한 스펙클 패턴 이미지 획득이라는 비침습적인 수단을 통해 적혈구의 영률을 추정하는 방법 및 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 손톱 주름의 스펙클(speckle) 패턴에 기반하여 적혈구의 영률(young's modulus)을 추정하는 방법으로서, 상기 손톱 주름에 대한 스펙클 원본 이미지들에 기반하여, 상기 스펙클 원본 이미지들에 대한 대비 이미지인 스펙클 대비 이미지들을 생성하는 단계; 상기 스펙클 대비 이미지들에 기반하여, 상기 스펙클 패턴의 특성을 나타내는 유효 파라미터들을 도출하는 단계; 및 상기 유효 파라미터들을 이용하여 상기 적혈구의 영률을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 손톱 주름의 스펙클(speckle) 패턴에 기반하여 적혈구의 영률(young's Modulus)을 추정하는 장치로서, 레이저 광을 손톱 주름 영역에 조사하는 레이저 광원; 상기 손톱 주름 영역으로부터 반사된 레이저 광을 감지하여, 상기 손톱 주름에 대한 스펙클 원본 이미지를 생성하는 카메라; 및 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 스펙클 원본 이미지들에 기반하여, 상기 스펙클 원본 이미지들에 대한 대비 이미지인 스펙클 대비 이미지들을 생성하고, 상기 스펙클 대비 이미지들에 기반하여 상기 스펙클 패턴의 특성을 나타내는 유효 파라미터들을 도출하며, 상기 유효 파라미터들을 이용하여 상기 적혈구의 영률을 추정하는 것을 특징으로 하는 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예는 비침습적 방법을 이용하여 적혈구의 역률을 추정하므로, 적혈구의 영률 추정을 더욱 짧은 시간에 간단하게 수행할 수 있음은 물론 종래 방법들의 장소적 제약을 극복할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예는 스펙클 이미지들에 대한 시간적 분석과 공간적 분석이라는 다차원적 분석을 통해 적혈구의 특성(스펙클 패턴)을 나타내는 파라미터들을 도출하므로, 적혈구의 영률을 더욱 정확하게 추정할 수 있다.
도 1은 적혈구의 영률을 추정하는 장치에 대한 예시적인 블록도이다.
도 2는 적혈구의 영률을 추정하는 방법에 대한 일 예를 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 스펙클 원본 이미지들을 획득하는 방법에 대한 일 예를 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 스펙클 이미지에 대한 시간적 분석을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 스펙클 이미지에 대한 공간적 분석을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 스펙클 원본 이미지와 스펙클 대비 이미지들에 대한 일 예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 차이 상관함수에 대한 일 예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 스펙클 이미지들의 평균 강도에 대한 일 예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 역률 추정 방법에 대한 실험을 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 적혈구의 영률(young's modulus, YM)을 추정하는 장치(이하 '영률 추정장치'라 한다)(100)에 대한 예시적인 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 영률 추정장치(100)는 메모리(140) 및 제어부(150)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 영률 추정장치(100)는 LED 광원(110), 레이저 광원(120) 및 카메라(130)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
메모리(140)에는 적혈구의 영률을 추정하기 위한 하나 이상의 프로그램들이 저장될 수 있다. 또한, 메모리(140)에는 'S210 단계에서 설명되는 스펙클 이미지', 'S220 단계에서 설명되는 스펙클 이미지' 등이 더 저장될 수 있다.
제어부(150)는 메모리(140)에 저장된 프로그램들을 구동시켜 적혈구의 영률을 추정할 수 있다. 이를 위해, 제어부(150)는 하나 이상의 프로세서들로 구성될 수 있다.
먼저, 영률 추정장치(100)는 손톱 주름에 대한 스펙클 이미지들을 획득할 수 있다(S210).
스펙클 이미지에는 손톱 주름의 표면에 대한 정보가 포함되어 있다. 또한, 스펙클 이미지에는 더 깊은 영역(손톱 주름의 내부 영역)에 대한 정보도 포함되어 있다.
스펙클 이미지는 제어부(150)가 메모리(140)에 액세스(access)하여 메모리(140)에 미리 저장되어 있는 스펙클 이미지들을 리드(read)하는 방법 또는, 레이저 광원(120)과 카메라(130)를 통해 새로운 스펙클 이미지를 센싱하는 방법으로 획득될 수 있다.
'S220 단계에서 설명되는 스펙클 이미지'는 'S210 단계에서 설명되는 스펙클 이미지'에 기반하여 생성되므로, 'S220 단계에서 설명되는 스펙클 이미지'와 'S210 단계에서 설명되는 스펙클 이미지'를 서로 구분할 필요가 있다.
따라서, 이하에서는, 'S210 단계에서 설명되는 스펙클 이미지'를 스펙클 원본 이미지로 지칭하고, 'S220 단계에서 설명되는 스펙클 이미지'를 스펙클 대비 이미지로 지칭하도록 한다.
스펙클 원본 이미지들이 획득되면, 제어부(150)는 스펙클 원본 이미지들에 기반하여 스펙클 대비 이미지들을 생성할 수 있다(S220).
스펙클 대비 이미지는 스펙클 원본 이미지들을 기준으로 할 때 시간적 또는 공간적으로 대비되는 이미지들에 해당한다. 예를 들어, 스펙클 대비 이미지들에는 스펙클 원본 이미지들에 공간적으로 대비되는 이미지들인 공간 대비 이미지들 또는, 스펙클 원본 이미지들에 시간적으로 대비되는 이미지들이 시간 대비 이미지들이 포함될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 스펙클 원본 이미지의 강도(intensity)를 분석하는 것이 아니라, 스펙클 대비 이미지를 분석하도록 구성된다. 본 발명이 스펙클 대비 이미지에 기반한 분석을 수행하는 이유는, 스펙클 대비 이미지는 스펙클 패턴의 절대(absolute) 강도에 의존하지 않으므로 손톱 주름의 곡면과 입사 레이저 광의 균일하지 않은 분포에 더욱 효과적일 수 있기 때문이다. 또한, 산란체(적혈구)의 속도가 증가함에 따라 대비 강도가 감소하므로, 스펙클 대비 이미지는 움직이는 산란체를 정량화할 수 있는 방식으로 캡처할 수 있기 때문인다.
스펙클 대비 이미지들이 생성되면, 제어부(150)는 스펙클 대비 이미지들에 기반하여 유효 파라미터들을 도출할 수 있다(S230).
유효 파라미터들은 스펙클 패턴의 특성을 나타내는 파라미터들을 의미한다. 예를 들어, 유효 파라미터들에는 RMS 값, 크기 값, 프랙탈(fractal) 차원정보, 상관 시간, 맥박수 등이 포함될 수 있다.
유효 파라미터가 도출되면, 제어부(150)는 유효 파라미터들을 이용하여 적혈구의 영률을 추정할 수 있다(S240).
영률이란 특정 객체의 늘어나는 정도나 변형되는 정보를 나타내는 탄성률이므로, 적혈구의 영률은 적혈구의 탄성률(elastic modulus) 또는 변형성을 나타낼 수 있다.
예를 들어, 영률의 값이 클수록 적혈구의 탄성률이 높아지므로, 영률의 값이 클수록 정상 적혈구에 가까운 것으로 판단할 수 있으며, 영률의 값이 작을수록 비정상 적혈구에 가까운 것으로 판단할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 비침습적 방법을 이용하여 적혈구의 역률을 추정하므로, 적혈구의 영률 추정을 더욱 짧은 시간에 간단하게 수행할 수 있음은 물론 종래 방법들의 장소적 제약을 극복할 수 있다.
도 3은 LED 광원(110), 레이저 광원(120) 및 카메라(130)를 이용하여 스펙클 원본 이미지들을 획득하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저, 영률 추정장치(100)는 LED 광원(110)을 통해 광을 조사하고 반사되는 광을 카메라(130)를 이용하여 센싱할 수 있다(S310).
LED 광원(110)을 통한 광 조사 및 카메라(130)를 통한 센싱은 측정 영역의 위치를 정확하게 표시하기 위함이다. 즉, 영률 추정장치(100)의 사용자는 LED 광원(110)으로부터 조사되는 광을 이용하여 손톱 주름의 위치를 더욱 정확하게 파악하고, 손톱 주름 영역 중에서도 적혈구의 영률을 추정하고자 하는 위치(예를 들어, 관심영역)를 더욱 정확하게 파악할 수 있다.
측정 영역이 맞춰지면, 영률 추정장치(100)는 사용자로부터 입력되는 제어 명령에 의해 레이저 광의 파장과 프레임율(frame rate)을 조정할 수 있다(S320).
레이저 광은 손톱 주름의 표면뿐만 아니라 더 깊은 영역의 정보를 획득하기 위하여 635nm의 파장을 가지는 적색 레이저 광 또는 788nm의 파장을 가지는 근적외선 레이저 광일 수 있다. 프레임율은 측정 시간 즉, 카메라(130)를 통해 초당 획득되는 스펙클 원본 이미지들의 수들을 의미한다. 프레임율은 100 frame/s 이하일 수 있다.
제어 명령은 레이저 광이 가질 수 있는 복수 개의 파장들 중에서 어느 하나를 선택하거나 프레임율을 결정하는 사용자 입력일 수 있다.
제어 명령에 의해 레이저 광의 파장과 프레임율이 조정되면, 영률 추정장치(100)는 레이저 광원(120)을 통해 (간섭성) 레이저 광을 조사하고 반사되는 레이저 광을 카메라(130)를 이용하여 센싱할 수 있다(S330).
이와 같이, 본 발명은 '레이저 광이 조사되는 위치 및 센싱되는 위치'와 손톱 주름 영역의 위치를 LED 광을 통해 미리 정확하게 일치시킬 수 있으므로, 사용자가 임의적으로 일치시키는 방법에 비해 더욱 정확한 측정이 가능하도록 할 수 있다.
도 4는 스펙클 이미지에 대한 시간적 분석을 설명하기 위한 순서도이고, 도 5는 스펙클 이미지에 대한 공간적 분석을 설명하기 위한 순서도이며, 도 6은 스펙클 원본 이미지와 스펙클 대비 이미지들에 대한 일 예를 설명하기 위한 예시도이다.
앞서 설명된 바와 같이, 스펙클 대비 이미지들에는 스펙클 원본 이미지들에 공간적으로 대비되는 이미지들인 공간 대비 이미지들 또는, 스펙클 원본 이미지들에 시간적으로 대비되는 이미지들이 시간 대비 이미지들이 포함될 수 있다.
공간 대비 이미지의 생성과 관련하여, 제어부(150)는 스펙클 원본 이미지(도 6의 (a))에 존재하는 특정 픽셀에 대해, 그 주변에 위치하는 다른 픽셀들(예를 들어, 3개의 픽셀들)의 강도에 대한 RMS(root mean square) 값을 연산하고, 연산된 결과를 스펙클 원본 이미지의 평균 강도로 나누며, 이러한 과정을 스펙클 원본 이미지 내 모든 픽셀별로 수행하여 공간 대비 이미지(도 6의 (b))를 생성할 수 있다(S410).
시간 대비 이미지의 생성과 관련하여, 제어부(150)는 시간적으로 연속하는 스펙클 원본 이미지들 내 강도의 RMS 값을 연산하고, 연산된 결과를 특정 스펙클 원본 이미지(도 6의 (a))의 평균 강도로 나누며, 이러한 과정을 특정 스펙클 원본 이미지 내 모든 픽셀별로 수행하여 시간 대비 이미지(도 6의 (c))를 생성할 수 있다(S510).
제어부(150)는 공간 대비 이미지 내 관심영역(area of interest, AOI)의 대비 강도에 대한 RMS 값, 스펙클의 크기 값 및, 적혈구의 분포에 대한 프랙탈(fractal) 차원정보를 유효 파라미터로 도출할 수 있다(S420).
또한, 제어부(150)는 시간 대비 이미지 내 적혈구의 이동에 관련된 영역(smaller space areas, SSA)의 대비 강도에 대한 RMS 값, 적혈구의 층류(laminar flow, 규칙적인 흐름)를 측정하기 위한 상관 시간(correlation time), 적혈구 흐름의 난류(turbulence)에 대한 프랙탈 차원정보 및, 맥박수를 유효 파라미터로 도출할 수 있다(S520).
스펙클 대비 패턴에 대한 2D 파워 스펙트럼 PS의 연산은 아래 수학식 1에 의해 수행될 수 있다.
Figure 112021146475734-pat00003
수학식 1에서, FI는 대비 강도 행렬 I의 푸리에 변환을 나타내며, Im은 행렬 I 내 모든 강도들의 평균 값을 나타내고, FI*는 FI의 복합 켤레 행렬을 나타낸다.
Wiener-Kinchin 이론에 따르면, 자기상관 행렬 KC는 2D 파워 스펙트럼의 역-푸리에 변환에 의해 얻어진다. 또한, 근거리 산란 조건에서, 스펙클의 크기는 측정된 샘플의 산란체(적혈구)의 크기와 일치하고, 스펙클 강도의 쌍 상관함수는 스펙클이 시작된(originate) 객체의 해당 구조적 상관 관계를 설명한다.
따라서, 대비 패턴에 대한 강도의 자기상관(autocorrelation) 행렬은 아래 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112021146475734-pat00004
수학식 2에서, Con은 대비 패턴의 매트릭스를 나타내며, Con_m은 모든 대비 강도의 평균 값을 나타내고, Na 및 Nb 각각은 x축 방향과 y축 방향의 픽셀 수를 나타낸다.
파워 스펙트럼의 매트릭스 요소는 스펙클 대비 강도에서 2D 푸리에 변환의 복소 매트릭스 요소의 절대값의 제곱으로 계산된다. 추가 분석을 위해 자기상관 행렬을 다음의 수학식 3과 같이 정의되는 차분 상관(DC, difference correlation) 행렬로 변환한다.
Figure 112021146475734-pat00005
차분상관 행렬과 자기상관 행렬 사이의 관계는 아래의 수학식 4와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112021146475734-pat00006
수학식 4에서, KC0,0은 RMS의 제곱으로 정의되며, RMS는 스펙클 대비 이미지의 모든 강도로 계산된 평균 제곱근이다.
차분상관 행렬의 거리 의존성은 대각선 방향, x축 방향 및 y축 방향을 따라 분석될 수 있다. 그러나 각도를 평균화한 후 반경 R에 대한 의존성을 조사하는 것이 더 적절할 수 있다. 상관 패턴의 대칭 때문에 각도 θ=0°~90°에서만 평균이 취해진다. 차분상관 행렬의 인덱스는 i=round(R*cos(θ)) 및 j=round(R*sin(θ))로 지정되며, 여기서 round(x)는 x축 방향 및 y축 방향 각각의 최인접 정수 값이다. 반경은 2차 행렬(Na = Nb)을 고려할 때 0~Na의 값을 취할 수 있다. 차이상관 함수의 예가 도 7에 나타나 있다.
도 7의 (a)와 (b)는 고려되는 두 개의 강도들 사이의 거리에 대한 함수로서 스펙클 강도들에 대한 정규화된 차이상관 함수(DC)를 나타낸다. Diagonal은 DCi,I를 나타내며, x-direction과 y-direction은 각각 DCi,0와 DC0,I를 나타내고, Radial은 DC의 각도 평균값을 나타낸다. 도 7의 (b)에서는 상관 함수가 이중 로그 좌표계로 표시된다.
상관 함수들은 초기에 증가하는 종류, 특정 상관 길이 및 포화 값에 의해 특징지어진다. 프랙탈 동작을 포착하기 위해 아래의 수학식 5와 같은 모델 함수가 실험 곡선에 맞춰진다.
Figure 112021146475734-pat00007
통계적으로 독립적인 세 가지의 구조적 구성 요소가 상관 함수를 설명한다고 가정한다. 첫 번째는 적혈구와 같은 일부 유사한 세포의 구조를 포착한다. 상수 B는 피부에 거의 상관없는 세부 구조로 인해 발생하는 무작위 노이즈의 영향을 캡처한다. R/Ro<<1인 경우 함수 F(R)는 프랙탈 구조에 대한 일반적인 대수적 거동을 보여준다. 지수 a는 Hurst 파라미터 H=a/2와 관련된다.
그런 다음, 관련 프랙탈 차원을 아래 수학식 6을 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112021146475734-pat00008
물리적 프랙탈의 프랙탈 거동은 무한대로 확장될 수 없으므로 모델 함수의 첫 번째 부분의 포화를 고려한다. 이 거동은 해당 상관 길이가 특징이다.
측정된 스펙클 이미지들의 시간 의존성과 대조 패턴은 혈관의 혈류에 대한 흥미로운 정보를 제공한다. 예를 들어, 스펙클 대비는 움직이는 산란 물체를 정량화할 수 있는 방식으로 캡처한다. 움직임이 빠를수록 대비 강도가 낮아진다. 스펙클 이미지는 적혈구와의 상호 작용으로 인해 후방 산란된 빛의 동적 변화를 포착할 수 있으므로, 다양한 조직의 관류를 시각화하는 데 사용할 수 있다.
도 8에는 강도와 혈류의 속도 및 혈류의 양 사이의 관계가 나타나 있다. 도 8의 (a)는 스펙클 원본 이미지의 평균 대비 강도를 나타내며, 도 8의 (b)는 공간 대비 이미지의 평균 대비 강도를 나타내고, 도 8의 (c)는 시간 대비 이미지의 평균 대비 강도를 나타낸다.
도 8에 나타나는 바와 같이, 강도 최대는 혈류의 저속과 일치하고 강도 최소는 최대 혈류에 속한다. 따라서, 도 8의 (a) 및 (b)에 표현된 두 대비 이미지에 대한 영역 평균 강도의 시간 의존성은 모세혈관의 미세순환 맥동을 명확하게 보여준다.
스펙클 대비 패턴의 구조적 특징 평가와 마찬가지로 시간 상관 함수는 Wiener-Khinchin-Theorem에 기반하여 계산될 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 제어부(150)는 유효 파라미터들을 이용하여 적혈구의 영률을 추정할 수 있다. 일 예로, 제어부(150)는 유효 파라미터들을 미리 결정된 수학식(수학식 12)에 적용하여 적혈구의 영률을 추정할 수 있다. 이하에서는, 영률 추정에 이용될 수 있는 수학식을 도출하는 방법에 대해 설명하도록 한다.
적혈구는 원통형 개체로 간주될 수 있으므로, 적혈구에 정수압(hydrostatic pressure)을 적용하면 적혈구는 축 방향(axial)과 원주 방향(circumferential)뿐만 아니라 반경(radial) 방향으로 압축될 수 있다. 이 세 방향에서 나타나는 응력을 계산하면 아래의 수학식 7 내지 9가 충족될 수 있다.
Figure 112021146475734-pat00009
Figure 112021146475734-pat00010
Figure 112021146475734-pat00011
Figure 112021146475734-pat00012
은 반경 방향의 응력,
Figure 112021146475734-pat00013
는 축 방향의 응력,
Figure 112021146475734-pat00014
는 원주 방향의 응력을 나타내고,
Figure 112021146475734-pat00015
,
Figure 112021146475734-pat00016
및
Figure 112021146475734-pat00017
각각은 해당 변형률을 나타내며, E는 탄성률(elastic modulus)을 나타내고, μ는 포이즌 넘버(poison number)를 나타낸다.
연산을 단순화하기 위해, 응력 및 변형률을 약 0.1μm 두께의 세포막 피질에 대한 평균으로 간주한다. 정수압을 받는 원통형 개체의 경우 축 방향 및 원주 방향 응력과 적용된 압력 사이에 간단한 관계를 제공하는 몇 가지 평형 조건(수학식 10)을 고려할 수 있다.
Figure 112021146475734-pat00018
수학식 10과 같은 관계는 기술 역학의 계산 공식(보일러 공식)으로 잘 알려져 있다. 보일러 공식의 경우 반경 방향의 응력은 원통형 개체의 벽의 외부에서 0이고 내부 압력과 같다. 적혈구의 경우 세포의 세포질이 외부로부터 압력을 받으므로 반경 방향의 응력도 압력 p와 동일한 내벽 측에 있다. 반경 방향의 변형률과 적혈구의 크기 S는 영률 추정장치(100)의 측정에 의해 주어진다.
거의 비압축성 적혈구에 대해 μ=0.5이고 d
Figure 112021146475734-pat00019
0.1μm인 경우 영률 E를 결정할 수 있다. 변형률
Figure 112021146475734-pat00020
와
Figure 112021146475734-pat00021
는 수학식 8과 9에 의해 주어진다. 반경 방향의 변형률은 아래의 수학식 11을 이용하여 적혈구 크기의 변화에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112021146475734-pat00022
수학식 11에서,
Figure 112021146475734-pat00023
는 제로 압력에 대한 적혈구의 크기를 나타내며,
Figure 112021146475734-pat00024
는 동맥 모세 혈관의 최대 압력 Pmax에 속하며,
Figure 112021146475734-pat00025
은 최소 압력 Pmin에 속한다.
동맥 혈관의 더 낮은 압력(최소 압력)이 거의 0인 한
Figure 112021146475734-pat00026
를
Figure 112021146475734-pat00027
로 근사할 수 있다. 그런 다음,
Figure 112021146475734-pat00028
인 관계를 이용하여 영률에 대한 수학식 12를 도출할 수 있다.
Figure 112021146475734-pat00029
두 그룹으로 구분되는 참가자들을 대상으로 하여 본 발명에 따른 영률 추정 방법에 대한 실험을 수행하였다.
첫 번째 참가자 그룹은 73세의 남자(JS), 76세의 여자(NS), 30세~40세의 4명의 남자(JP, RH, SS, SN)와 1명의 여자(Ju), 10세~13세의 3명의 여자(MS, MG, HS)로 구성하였다. 두 번째 참가자 그룹은 1명의 시니어(Se), 두명의 흡연자(Sm1, Sm2), 1명의 비흡연자(NS), 1명의 학생(St)로 구성하였다.
첫 번째 참가자 그룹에 대해서는 상대적으로 낮은 프레임율을 가지는 카메라를 이용하였으며, 두 번째 참가자 그룹에 대해서는 상대적으로 높은 프레임율을 가지는(고속의) 카메라를 이용하였다.
다양한 참가자들의 탄성 속성을 비교하려면, 세포막 피질의 두께(d)의 추정치를 찾아야 한다. RMS 값은 고정된 산란체의 표면 거칠기를 특성화한다. 움직이는 적혈구의 경우, 번짐 효과(smearing effect)로 인하여 RMS 값이 감소한다. 혈류가 점차적으로 증감하기 때문에(즉, 맥동형, pulsatile type), RMS 값의 현저한 변동은 형장의 압력 변동에 의해 발생한다. RMS의 변화는 △p에 RMS의 절대 값을 곱하고 d로 나눈 값에 비례한다고 가정한다. 피질의 두께가 두꺼울수록 실제 RMS 값에 직접적인 영향을 미치는 거칠기 변화의 응답이 적기 때문이다. 이러한 관계를 이용하면, d 값이 아래의 수학식 13을 따를 때 참가자들의 적혈구를 비교할 수 있다.
Figure 112021146475734-pat00030
수학식 13에서, RMS 값은 모든 측정 값들과 △RMS = RMSmax - RMSmin의 평균 값으로 사용되며,
Figure 112021146475734-pat00031
Figure 112021146475734-pat00032
각각은 임의로 선택할 수 있는 파라미터들에 해당한다.
pmax는 수축기 혈압이고 pmin은 이완기 혈압이지만, 모세혈관에서는 혈압이 급격히 감소한다. 동맥 말단의 평균 압력은 약 22~32 mmHg로 남자와 여자가 거의 동일하다. 수축기 혈압과 이완기 혈압 사이에는 5~10 mmHg의 차이가 존재하며, 흐름(혈류)는 맥동으로 관찰된다. 동맥 모세 혈관의 압력은 상완 동맥 혈압과 상관관계가 없기 때문에, 모든 참가자들의 동맥 모세 혈관 압력의 변화 △p는 거의 동일하다고 가정한다(△p = △p0).
d0=0.09um, RMS0=0.04, △RMS0=0.01인 가장 어린 참가자를 기준으로 선택하였다.
흡연자(Sm1)의 스펙클 대비 이미지들에 기반하여 도출한 유효 파라미터들에 대한 예가 도 9에 나타나 있다. 도 9의 (a)는 적혈구의 크기를 나타내며, 도 9의 (b)는 표면의 거칠기를 나타내고, 도 9의 (c)는 평균 대비 강도를 나타내며, 도 9의 (d)는 프랙탈 차원을 나타낸다.
모든 참가자들에 대해 도출한 유효 파라미터들과 영률에 대한 예가 도 10에 나타나 있다. 도 10의 (a)는 영률을 나타내며, 도 10의 (b)는 프랙탈 차원을 나타내고, 도 10의 (c)는 표면 거칠기를 나타내며, 도 10의 (d)는 적혈구의 크기를 나타낸다.
적혈구의 크기 Smin에 절대 최소 값을 취하고 이를 최대 모세혈관 압력
Figure 112021146475734-pat00033
Figure 112021146475734-pat00034
와 연관시킨다. RMS 값은 시간의 모든 값에 대한 평균으로 결정된다. 파라미터 △RMS = RMSmax - RMSmin는 도 10 (a)의 RMS 곡선의 절대 최대 값에서 최소 값을 뺀 결과이다.
도 10의 (a)를 보면, 비흡연자(NS)와 비교하여, 흡연자(Sm1, Sm2)의 연결에 따른 영률의 증가율에 유의미한 차이가 없음을 알 수 있다. 즉, 흡연으로 인한 적혈구의 구조적 특성에 큰 변화가 없음을 알 수 있다.
도 10의 (b)를 보면, 두 번째 그룹의 프랙탈 차원이 첫 번째 그룹의 프랙탈 차원보다 매우 작은 것을 알 수 있다. 이는 적혈구에서 산란에 의한 노이즈 성분이 더 낮다는 것을 의미하며, 635nm 파장의 레이저 광에 대한 산란이 78nm 파장의 레이저 광에 대한 산란과 상당히 다르기 때문이다.
두 번째 그룹에 속하는 5명의 참가자들에 대해 도출된 유효 파라미터들의 예가 표 1에 나타나 있다.
Figure 112021146475734-pat00035
표 1에서, DF는 프랙탈 차원의 값을 나타내며,
Figure 112021146475734-pat00036
는 스팩클 대비의 프랙탈 부분에 해당하는 강도 변동의 RMS 값을 나타내고,
Figure 112021146475734-pat00037
는 모세혈관의 혈압 변화에 따른 혈류의 가속도를 나타내며,
Figure 112021146475734-pat00038
는 노이즈 기여도의 RMS 값을 나타내고, to는 상관 시간을 나타내며, PR은 심장 박동수를 나타낸다.
표 1을 살펴보면, 학생과 비흡연자의 세포(적혈구)가 거의 10배 가까이 더 긴 상관 움직임을 가짐을 알 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명에 따른 영률 추정 방법은 다양한 혈액 질환의 진단, 암 적응증(cancer indication)의 확인, 다른 질병들의 초기 증상 감지 등을 위해 활용될 수 있다.
도 2 내지 도 5에서는 각 과정들이 순차적으로 실행되는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 2 내지 도 5에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각 과정들 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다. 따라서, 도 2 내지 도 5은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 2 내지 도 5에 도시된 각 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 영률 추정장치

Claims (7)

  1. 손톱 주름의 스펙클(speckle) 패턴에 기반하여 적혈구의 영률(young's modulus)을 추정하는 방법으로서,
    상기 손톱 주름에 대한 스펙클 원본 이미지들에 기반하여, 상기 스펙클 원본 이미지들에 대한 대비 이미지인 스펙클 대비 이미지들을 생성하는 단계;
    상기 스펙클 대비 이미지들에 기반하여, 상기 스펙클 패턴의 특성을 나타내는 유효 파라미터들을 도출하는 단계; 및
    상기 유효 파라미터들을 이용하여 상기 적혈구의 영률을 추정하는 단계를 포함하고,
    상기 스펙클 대비 이미지들은,
    공간 대비 이미지를 포함하고,
    상기 생성하는 단계는,
    상기 스펙클 원본 이미지 내 픽셀별로 주변에 위치하는 다른 픽셀들의 강도에 대한 RMS 값을 상기 스펙클 원본 이미지의 평균 강도로 나눠 상기 공간 대비 이미지를 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도출하는 단계는,
    상기 공간 대비 이미지 내 관심영역(area of interest)의 대비 강도에 대한 RMS 값, 상기 스펙클의 크기 값 및, 상기 적혈구의 분포에 대한 프랙탈(fractal) 차원정보를 상기 유효 파라미터로 도출하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스펙클 대비 이미지들은,
    시간 대비 이미지를 포함하고,
    상기 생성하는 단계는,
    시간적으로 연속하는 스펙클 원본 이미지들의 강도의 RMS 값을 상기 스펙클 원본 이미지의 평균 강도로 나눠 상기 시간 대비 이미지를 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 도출하는 단계는,
    상기 시간 대비 이미지 내 상기 적혈구의 이동에 관련된 영역의 대비 강도에 대한 RMS 값, 상기 적혈구의 층류(laminar flow)를 측정하기 위한 상관 시간, 상기 적혈구 흐름의 난류(turbulence)에 대한 프랙탈 차원정보 및, 맥박수를 상기 유효 파라미터로 도출하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체.
  7. 손톱 주름의 스펙클(speckle) 패턴에 기반하여 적혈구의 영률(young's Modulus)을 추정하는 장치로서,
    레이저 광을 손톱 주름 영역에 조사하는 레이저 광원;
    상기 손톱 주름 영역으로부터 반사된 레이저 광을 감지하여, 상기 손톱 주름에 대한 스펙클 원본 이미지들을 생성하는 카메라; 및
    제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 스펙클 원본 이미지들에 기반하여, 상기 스펙클 원본 이미지들에 대한 대비 이미지인 스펙클 대비 이미지들을 생성하고,
    상기 스펙클 대비 이미지들에 기반하여 상기 스펙클 패턴의 특성을 나타내는 유효 파라미터들을 도출하며,
    상기 유효 파라미터들을 이용하여 상기 적혈구의 영률을 추정하는 것을 특징으로 하고,
    상기 스펙클 대비 이미지들은,
    공간 대비 이미지를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 스펙클 원본 이미지 내 픽셀별로 주변에 위치하는 다른 픽셀들의 강도에 대한 RMS 값을 상기 스펙클 원본 이미지의 평균 강도로 나눠 상기 공간 대비 이미지를 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
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