KR20020064406A - Ultrasonic bone image diagnostic device - Google Patents

Ultrasonic bone image diagnostic device Download PDF

Info

Publication number
KR20020064406A
KR20020064406A KR1020010004827A KR20010004827A KR20020064406A KR 20020064406 A KR20020064406 A KR 20020064406A KR 1020010004827 A KR1020010004827 A KR 1020010004827A KR 20010004827 A KR20010004827 A KR 20010004827A KR 20020064406 A KR20020064406 A KR 20020064406A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ultrasonic
bone
scanning
water
ultrasound
Prior art date
Application number
KR1020010004827A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR100405000B1 (en
Inventor
한승무
Original Assignee
주식회사 비.엠.텍
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 비.엠.텍 filed Critical 주식회사 비.엠.텍
Priority to KR10-2001-0004827A priority Critical patent/KR100405000B1/en
Publication of KR20020064406A publication Critical patent/KR20020064406A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100405000B1 publication Critical patent/KR100405000B1/en

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings
    • A61B8/0875Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings for diagnosis of bone
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24Probes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Rheumatology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Abstract

PURPOSE: An ultrasonic bone image diagnosis apparatus is provided to measure correctly an osteoporosis index by minimizing a measuring error according to a measuring position. CONSTITUTION: An ultrasonic bone image diagnosis apparatus is an X-Y scanning bone densitometer using a mechanical scanning method. The X-Y scanning bone densitometer is formed with a scanning portion(100), a computer(200), and a power distributor(300). The scanning portion(100) performs a scanning operation and generates an ultrasonic signal. The computer(200) receives and processes information from the scanning portion(100) and controls temperature of a pump and an operation of a transferring device. The computer(200) is formed with a main body, a monitor, and a keyboard, and a mouse. The power distributor(300) is formed with an input terminal, three output terminals, and an on/off switch.

Description

초음파 골영상 진단장치{ULTRASONIC BONE IMAGE DIAGNOSTIC DEVICE}Ultrasonic Bone Imaging Device {ULTRASONIC BONE IMAGE DIAGNOSTIC DEVICE}

본 발명은 초음파 골영상 진단장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물 속에서 발 뒤꿈치 일정 영역에 대한 스캐닝이 가능한 초음파 스캐너 및 이의 컴퓨터 시스템과의 인터페이스를 통한 제어알고리즘, 그리고 스캐닝을 통해 수신된 초음파 신호의 시간영역 및 주파수 영역에서의 분석을 통해 구해진 초음파 진단 파라미터를 이용하여 골질 분포의 영상을 제공함과 동시에 측정 중심영역(ROI)을 자동으로 찾음으로써(Auto ROI) 진단 결과의 신뢰성을 높일 수 있는 진단 알고리즘을 가지고 있는 초음파 골영상 진단장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasound bone imaging apparatus, and more particularly, an ultrasound scanner capable of scanning a certain region of a heel in water, a control algorithm through an interface with a computer system thereof, and an ultrasound signal received through scanning. Diagnosis that can improve the reliability of the diagnosis results by providing the image of the bone distribution using the ultrasonic diagnostic parameters obtained through the analysis in the time domain and the frequency domain An ultrasound bone imaging apparatus having an algorithm is provided.

골다공증(OSTEOPOROSIS)은 뼈 자체의 무게가 줄어들고 미세 구조가 얇아지고 약해지므로 조그만 충격에도 뼈가 쉽게 부러질 수 있는 상태가 되는 질환으로, 노년기에 들어서 골다공증은 더욱 심각한 결과를 초래하여 대퇴부 골절, 척추 골절 및 합병증으로 인한 1년내 사망률이 10%를 초과한다. 더욱이, 골다공증은 평소에 통증이나 증상이 없이 진행되다가 골절이 일어나고 심한 고통을 겪고 나서야 알게 되며, 이미 진행된 후에는 돌이킬 수 없는 비가역성 질환이라는 점에서 더욱 심각성이 크기 때문에 골다공증을 미리 정확하게 진단할 수 있는 골다공증 진단기의 개발이 요청되고 있다.Osteoporosis (OSTEOPOROSIS) is a condition in which the bone itself loses weight, the microstructure becomes thinner and weaker, so that the bone can easily be broken even with a small impact.In the elderly, osteoporosis causes more serious consequences such as femoral fractures and vertebral fractures. And mortality rate within one year due to complications exceeds 10%. In addition, osteoporosis is usually only known as painless and symptom-free progression after fractures and severe pains, and is more severe in that it is irreversible after the disease has progressed. Development of diagnostics is called for.

종래의 골다공증 진단기로는 이중 에너지 X선 흡수법(DEXA : Dual Energy X-ray Absorptiometry)으로 대표되는 X선을 사용하는 진단장치가 있었으나, 이러한 장치는 그 크기가 커서 불편하고 방사선 피폭 등의 문제가 있다.Conventional osteoporosis diagnosers have been diagnosed using X-rays as represented by Dual Energy X-ray Absorptiometry (DEXA), but these devices are large in size and uncomfortable and have problems such as radiation exposure. have.

상술한 X선을 사용하는 진단장치의 문제점을 해결하기 위하여 초음파를 이용한 진단장치가 개발되었다. 초음파 골영상 진단장치는 초음파가 어떤 매질을 통과할 때 매질의 특성(탄성계수, 포아송의 비, 밀도, 다공성 등)에 따라 발생하게되는 에너지 손실에 의해 수신되는 초음파의 도달 속도 및 진폭이 변화하게 되는 것과 경계면과 매질 내부에서의 반사 및 산란을 일으키게 되는 특성을 이용하는 것이다. 기존의 초음파를 이용한 골다공증 진단기는 고정점에서의 측정으로 정확한 진단이 이루어지지 않으며 또한, 골질 분포의 영상 또한 제공하지 않고 있으며, 발뒤꿈치 뼈의 두께 계산이 이루어지지 않아 정확한 진단이 이루어지지 않고 있다.In order to solve the problems of the above-mentioned diagnostic apparatus using X-rays, a diagnostic apparatus using ultrasonic waves has been developed. Ultrasound Bone Imaging System changes the arrival rate and amplitude of the received ultrasound due to the energy loss caused by the properties of the medium (elastic coefficient, Poisson's ratio, density, porosity, etc.) as the ultrasound passes through the medium. And the characteristics that cause reflection and scattering in the interface and inside the medium. Conventional osteoporosis diagnostic apparatus using ultrasound does not provide accurate diagnosis by measuring at a fixed point, nor does it provide an image of the bone distribution, and because the thickness of the heel bone is not calculated, an accurate diagnosis is not made.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하는 것으로, 물 속에서 발뒤꿈치 일정 영역에 대한 스캐닝을 통해 발뒤꿈치 뼈의 골질 분포 영상을 제공함과 동시에 측정 중심영역(ROI)을 자동으로 찾아(Auto ROI) 이 부분에서의 평균값으로서 골다공증을 진단하여 측정 위치에 따른 오차를 없앨 수 있는 초음파 골영상 진단장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to overcome the problems of the prior art as described above, by providing a bone distribution image of the heel bone through the scanning of a certain area of the heel in the water and at the same time automatically the center of measurement (ROI) (Auto ROI) It is to provide an ultrasound bone image diagnosis apparatus that can diagnose osteoporosis as an average value in this part and eliminate the error according to the measurement position.

본 발명의 다른 목적은 스캐닝 포인트에서의 발뒤꿈치 뼈의 두께를 계산함으로써 두께를 이용한 표준화된 진단 파라미터 로서 정확한 진단이 가능하며, 뼈의 두께와 뼈의 외곽형상을 이용한 발뒤꿈치 뼈의 3차원 영상화가 가능한 초음파 골영상 진단장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to calculate the thickness of the heel bone at the scanning point, which enables accurate diagnosis as a standardized diagnostic parameter using the thickness, and the three-dimensional imaging of the heel bone using the bone thickness and the outline of the bone It is to provide a possible ultrasound bone imaging apparatus.

즉, 본 발명은 컴퓨터 시스템, 전원분배기, 및 스캐닝 시스템으로 구성된 초음파 골영상 진단장치에 있어서, 상기 컴퓨터 시스템이 스캐닝 시스템의 초음파 탐촉자에 의한 스캐닝을 통해 얻어진 초음파 신호를 시간 영역에서 분석하여 초음파속도(SOS), 형상지수(GI), 및 뼈의 두께를 산출하고, 주파수 영역에서 분석하여 초음파 광역밴드 감쇄(BUA) 및 초음파 순수 감쇄(UA)를 구하며, 형상지수(GI)와 초음파 순수 감쇄(UA)를 이용하여 측정 중심 영역을 추출하고, 이러한 측정 중심 영역에서 초음파 광역 밴드 감쇄(BUA)와 초음파 속도(SOS)의 선형조합에 의해 골다공증지수(OI)를 산출하는 것을 특징으로 하는 초음파 골영상 진단장치를 제공하는 것이다.That is, the present invention is an ultrasound bone image diagnosis apparatus composed of a computer system, a power distributor, and a scanning system, wherein the computer system analyzes an ultrasonic signal obtained by scanning by an ultrasonic probe of a scanning system in a time domain to determine an ultrasonic velocity ( SOS), shape index (GI), and bone thickness are calculated and analyzed in the frequency domain to obtain ultrasonic wide band attenuation (BUA) and ultrasonic pure attenuation (UA), shape index (GI) and ultrasonic pure attenuation (UA). Ultrasonic Bone Imaging, characterized by extracting the measurement center region and calculating the osteoporosis index (OI) by linear combination of ultrasonic wide band attenuation (BUA) and ultrasonic velocity (SOS) in the measurement center region To provide a device.

도 1은 본 발명의 초음파 골영상 진단장치의 개략도,1 is a schematic diagram of an ultrasound bone imaging apparatus of the present invention,

도 2는 초음파 골영상 진단장치 중 스캐닝 시스템의 개략 사시도,2 is a schematic perspective view of a scanning system of an ultrasound bone imaging apparatus;

도 3은 본 발명에 따른 초음파 골영상 진단장치의 내부 블럭도,3 is an internal block diagram of an ultrasound bone imaging apparatus according to the present invention;

도 4는 형상지수(GI) 및 측정 중심 영역(ROI)의 개념도,4 is a conceptual diagram of a shape index (GI) and a measurement center area (ROI);

도 5는 형상지수(GI)의 계산 원리 및 측정 중심 영역(ROI)의 개념도,5 is a conceptual diagram of a calculation principle of a shape index (GI) and a measurement center area (ROI);

도 6은 형상지수(GI)산출 과정의 흐름도,6 is a flowchart of a shape index (GI) calculation process;

도 7은 발뒤꿈치 뼈의 스캐닝시 초음파 광역밴드 감쇄(BUA)의 개념을 설명하기 위한 그래 프,7 is a graph for explaining the concept of ultrasonic wide band attenuation (BUA) during scanning of the heel bone,

도 8은 발뒤꿈치 뼈의 스캐닝시 초음파 순수 감쇄(UA)의 개념을 설명하기 위한 그래프,8 is a graph for explaining the concept of ultrasonic pure attenuation (UA) during scanning of the heel bone,

도 9는 발뒤꿈치 뼈의 스캐닝시 초음파속도(SOS)의 개념을 설명하기 위한 그래프,9 is a graph for explaining the concept of ultrasonic speed (SOS) during scanning of the heel bone,

도 10은 발뒤꿈치 뼈의 3차원 영상화 방법의 원리를 설명하기 위한 도면,10 is a view for explaining the principle of the three-dimensional imaging method of the heel bone;

도 11은 본 발명에 의한 초음파 신호의 처리 과정의 흐름도이다.11 is a flowchart illustrating a process of processing an ultrasonic signal according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

1: 발 수조(Foot Bath) 2: 스캐닝 수조(Water Bath)1: Foot Bath 2: Scanning Water Bath

3: 초음파 탐촉자(Ultrasonic Transducer)3: Ultrasonic Transducer

4: 실리콘 히터(Rubber Heater) 5: 스테핑 모터(x축, y축)4: Silicon Heater 5: Stepping Motor (x-axis, y-axis)

6: 리미트 스위치 7: 발 수조 수위 센서6: limit switch 7: foot bath water level sensor

8: 스캐닝 수조 수위 센서 9: 온도 센서(Temperature Sensor)8: Scanning bath water level sensor 9: Temperature sensor

10: 공급 펌프(Fill Pump) 11: 배출 펌프(Drain Pump)10: Fill Pump 11: Drain Pump

12: 제 1 솔레노이드 밸브 13: 제 2 솔레노이드 밸브12: first solenoid valve 13: second solenoid valve

14: 공급 수조(Fill Bottle) 15: 배출 수조(Drain Bottle)14: Fill Bottle 15: Drain Bottle

16: 컨트롤 보드(Control Board) 17: 입출력 보드16: Control Board 17: Input / Output Board

18: 초음파 펄서/리시버 보드(Pulser/Receiver Board)18: Ultrasonic Pulser / Receiver Board

19: 히터 컨트롤러(Heater Control) 20: 트랜스포머(Transformer)19: Heater Control 20: Transformer

21: 전원21: power

22: 스테핑 모터 드라이버(Stepping Motor Driver)22: Stepping Motor Driver

37: 제 3 솔레노이드 밸브37: third solenoid valve

본 발명의 초음파 골영상 진단장치는 새롭게 정의된 형상지수(GI) 파라미터를 이용하여 뼈의 윤곽을 추출하는데 사용한다. 본 발명자들은 종골의 내부에서 형상지수(GI) 파라미터가 국부적으로 최대값을 가지는 영역을 정의하여 이곳에서의 초음파 진단 파라미터의 평균적인 값을 결정하여 골강도를 정의하는 새로운 진단기법을 개발하였으며, 기존의 초음파 골다공증 진단기가 지니는 측정위치에 따른 측정오차를 최소화하여 보다 정확하고 신뢰성있는 골강도의 측정결과를 얻을 수 있는 것과 동시에 종골의 전체적인 골질을 반영할 수 있는 종골의 측정 중심 영역(ROI)을 자동으로 찾을 수 있는 새로운 알고리즘을 개발한다.The ultrasound bone imaging apparatus of the present invention is used to extract bone contours using newly defined shape index (GI) parameters. The present inventors have developed a new diagnostic technique for defining bone strength by defining a region in which the shape index (GI) parameter has a local maximum within the calcaneus and determining the average value of the ultrasonic diagnostic parameters therein. Ultrasonic Osteoporosis Diagnosis minimizes the measurement error according to the measurement position, thereby obtaining more accurate and reliable bone strength measurement results and at the same time automatically finds the center of measurement (ROI) of the calcaneus that can reflect the overall bone quality of the calcaneus. Develop new algorithms

이하, 본 발명을 첨부된 예시 도면에 의거 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 초음파 골영상 진단장치는 발뒤꿈치 뼈에 대한 물 속에서의 초음파 투과법 및 반사법이 용이하도록 제작된 초음파 스캐너와 초음파 스캐너의 제어를 위한 컨트롤 보드, 펄서 리시버 보드 그리고 스캐닝을 통해 얻어진 초음파 신호를 시간 영역과 주파수 영역에서 분석하여 각종 진단 파라미터를 추출, 각종 골질 분포의 영상화를 할 수 있는 진단 알고리즘으로 구성되어 있다. 본 발명의 초음파 골영상 진단장치는 30oC 내외의 온도로 유지되는 발 수조의 물 속에 환자의 발을 고정시킨 후, 발뒤꿈치 일정 영역에 대한 스캐닝을 통해 초음파 반사법 및 투과법의 적용이 가능한 구조로 되어 있으며, 각 동작부의 제어를 위한 컨트롤 보드를 내장하고 있다.Ultrasonic bone imaging apparatus according to the present invention for achieving the above object is a control board, pulser receiver for the control of the ultrasound scanner and ultrasound scanner made to facilitate the ultrasonic transmission and reflection method in the water to the heel bone It consists of a diagnostic algorithm that can image various bone distributions by extracting various diagnostic parameters by analyzing ultrasonic signals obtained through the board and scanning in time domain and frequency domain. Ultrasonic bone imaging apparatus of the present invention is fixed to the patient's foot in the water of the water tank maintained at a temperature of about 30 ° C, and then can be applied to the ultrasonic reflection method and transmission method by scanning a certain area of the heel It has a control board for controlling each operation part.

본 발명의 초음파 골영상 진단장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 기계 주사에 의한 X-Y 스캔 방식의 골밀도측정기로서 컴퓨터시스템(200)(윈도우 95 혹은 윈도우 98환경, Borland C++ Builder로 작성된 초음파골밀도측정기의 사용자 소프트웨어, 초음파 펄서/리시버 보드, 스캐닝 시스템과 컴퓨터 시스템간의 인터페이스 카드, 스캐닝 시스템(스캐너 제어보드, 초음파 탐촉자)(100) 및 전원 분배기(300)로 구성되어 있다.As shown in FIG. 1, the ultrasound bone imaging apparatus of the present invention is an XY scan-type bone density measuring apparatus using a mechanical scanning method of an ultrasound bone density measuring apparatus produced by computer system 200 (Windows 95 or Windows 98 environment, Borland C ++ Builder). It consists of a user software, an ultrasonic pulser / receiver board, an interface card between the scanning system and the computer system, a scanning system (scanner control board, ultrasonic transducer) 100 and a power distributor 300.

컴퓨터 시스템(200)은 스캐닝 시스템의 정보를 처리하고 급배수 펌프와 온도, 이송기구의 작동 등을 제어하는 역할을 담당하며, 구체적으로 사용자 소프트웨어를 구동해서 초음파골밀도측정을 하는 본체; 초음파골밀도영상의 화상출력하는 모니터; 초음파골밀도측정을 위한 입력장치인 키보드; 및 초음파골밀도측정을 위한 입력장치인 마우스를 포함하여 구성된다.Computer system 200 is responsible for processing the information of the scanning system and controlling the operation of the water supply pump and the temperature, the transfer mechanism, and the like, specifically the ultrasonic bone density measurement by driving the user software; A monitor for outputting an image of ultrasound bone density image; A keyboard which is an input device for ultrasonic bone density measurement; And a mouse as an input device for ultrasonic bone density measurement.

전원분배기(300)는 이중절연으로 구성되어 전기적인 안정성을 가지며, 연동되는 시스템을 하나의 스위치로 온/오프시킬 수 있는 것으로, 입력전압을 컴퓨터 시스템 및 스캐닝 시스템에 요구되는 전압으로 출력한다. 이러한 전원분배기(300)는 상용전원의 입력을 위한 입력단자; 컴퓨터시스템 및 스캐닝 시스템 등에 요구되는 전압을 공급하기 위한 3개의 출력 단자 및 하나의 스위치로 연동되는 모든 시스템을 온/오프 가능한 온/오프 스위치를 포함하여 구성된다.The power divider 300 is double-insulated and has electrical stability. The power divider 300 can turn on / off an interlocked system with a single switch, and outputs an input voltage as a voltage required for a computer system and a scanning system. The power splitter 300 includes an input terminal for input of commercial power; Three output terminals for supplying a voltage required for a computer system, a scanning system, and the like, and an on / off switch capable of turning on / off all the systems interlocked with a single switch.

도 2는 본 발명의 초음파 골영상 진단장치중 스캐닝 시스템(100)의 내부 개략도이다. 본 발명에서 초음파 골영상 진단장치의 스캐닝 시스템(100)은 인체의 발뒤꿈치 뼈 부위를 스캐닝해서 초음파골밀도 정보를 입력받고 급배수, 이송기구 동작 등을 수행하는 것으로, 스테핑 모터 및 볼 스크류 기구를 이용한 1쌍의 초음파 탐촉자(3)의 직선 이송을 통해 2축(x, y축)으로 동시에 제어할 수 있는 기구부, 측정 중에 발의 고정 및 공급되는 물의 양을 최소화할 수 있는 구조로 된 발 수조부(1), 스캐닝이 이루어지며 가열된 물을 공급할 수 있는 구조로 된 스캐닝 수조부(2), 그리고 스캐닝 중에 물의 순환이 이루어지는 물의 순환부로 이루어져 있다.2 is an internal schematic diagram of the scanning system 100 of the ultrasound bone imaging apparatus of the present invention. In the present invention, the scanning system 100 of the ultrasonic bone image diagnosis apparatus scans the heel bone of the human body to receive ultrasonic bone density information, perform drainage, transfer mechanism operation, etc., using a stepping motor and a ball screw mechanism. Mechanism part that can be controlled simultaneously in two axes (x, y axis) through the linear transfer of a pair of ultrasonic transducers (3), and the water tank unit that has a structure that can minimize the amount of water fixed and supplied during the measurement ( 1), consisting of a scanning tank 2 having a structure in which scanning is performed and capable of supplying heated water, and a water circulation section in which water is circulated during scanning.

초음파 탐촉자(3)는 동시에 구동이 가능하도록 암(arm)으로 연결되어 있으며, 2조의 볼스크류 기구 및 2개의 스테핑 모터(5)에 의해 x축 및 y축으로 이송될 수 있다. 또한 각 동작부의 구동을 위한 컨트롤 보드(16)와 스테핑 모터 드라이버(22)가 장착되어 있다. 본 발명에 따른 초음파 골영상 진단장치의 스캐닝 시스템 제어는 컴퓨터 시스템의 사용자 소프트웨어에 의해 이루어지며, 컴퓨터 시스템에 내장된 입출력 보드(17)와 스캐닝 시스템에 내장되어 스테핑 모터(5)의 상여자가 이루어지는 인터페이스 카드인 컨트롤 보드(16)와의 통신에 의해 스캐닝이 이루어진다. 또한, 스캐닝 시스템 내부의 컨트롤 보드(16)를 통해 공급되는 물의 온도 제어를 위한 히터 컨트롤러(19), 1개의 온도 감지 센서(9), 물의 공급 및 배출을 위한 2개의 제 1 및 제 2 솔레노이드 밸브(12, 13) 및 공급 펌프(10) 및 배출 펌프(11), 발 수조 수위 센서(7), 스캐닝 수조 수위 센서(8), 스케닝 중의 오동작 방지를 위한 1축(x축 및 y축)당 2개의 리미트 스위치(6)의 제어가 이루어진다.The ultrasonic transducer 3 is connected to an arm so as to be driven at the same time, and can be transferred to the x-axis and the y-axis by two sets of ball screw mechanisms and two stepping motors 5. In addition, a control board 16 and a stepping motor driver 22 for driving each operating unit are mounted. Scanning system control of the ultrasound bone image diagnosis apparatus according to the present invention is performed by user software of a computer system, and an input / output board 17 embedded in the computer system and a donor of the stepping motor 5 built in the scanning system are formed. Scanning is performed by communication with the control board 16, which is an interface card. In addition, a heater controller 19 for controlling the temperature of the water supplied through the control board 16 inside the scanning system, one temperature sensor 9, and two first and second solenoid valves for supplying and discharging water (12, 13) and feed pump (10) and discharge pump (11), water tank water level sensor (7), scanning water level sensor (8), per axis (x-axis and y-axis) to prevent malfunction during scanning Control of the two limit switches 6 takes place.

도 3은 본 발명에 따른 초음파 골영상 진단장치의 내부 연결도이다. 1쌍의 초음파 탐촉자(3)는 중심축이 일치되어 스캐닝 수조(2) 내부에서 일정 거리(115 mm)를 유지하도록 암(arm)으로 연결되어 있으며, 컴퓨터 시스템 내부의 초음파 펄서/리시버 보드(18)에 연결되어 스캐닝 중에 반사법과 투과법이 동시에 적용될 수 있으며, 동시에 이송될 수 있도록 연결되어 있다. 스캐닝을 위한 초음파 탐촉자(3)의 이송은 스캐닝 수조(2)의 외측에 2조의 볼 스크류 기구 및 스테핑 모터(5)에 의해 이루어지며, 스테핑 모터(5)의 구동은 컴퓨터 시스템의 입출력 보드(17)와 스캐너 내부의 컨트롤 보드(16) 상의 스테핑 모터 드라이버(22)에 의해 이루어진다. 스캐닝 중의 오동작 방지를 위한 리미트 스위치(6)가 각 축(x축, y축)당 2개씩 설치되어 있으며, 컨트롤 보드(16)에 연결되어 동작 신호가 컴퓨터 시스템 내부의 입출력 보드(17)에 전달된다.3 is an internal connection diagram of the ultrasound bone imaging apparatus according to the present invention. The pair of ultrasonic transducers 3 are armed to maintain a constant distance (115 mm) inside the scanning bath 2 with their central axes coinciding with each other, and the ultrasonic pulser / receiver board 18 inside the computer system. ), The reflection method and the transmission method can be applied at the same time during scanning, and are connected to be transported at the same time. The transfer of the ultrasonic probe 3 for scanning is performed by two sets of ball screw mechanisms and a stepping motor 5 on the outside of the scanning tank 2, and the driving of the stepping motor 5 is performed by the input / output board 17 of the computer system. And a stepping motor driver 22 on the control board 16 inside the scanner. Two limit switches 6 are provided for each axis (x-axis, y-axis) to prevent malfunction during scanning. The switch is connected to the control board 16 to transmit operation signals to the input / output board 17 inside the computer system. do.

스캐닝을 위한 물의 공급 및 순환은 다음과 같이 이루어진다. 공급수조(14)에 연결된 공급 펌프(10)를 통하여 스캐닝 수조(2) 내부에 스캐닝 수조 수위 센서(8)에 의해 감지되는 양 만큼의 물이 채워지게 되고 스캐닝 수조(2) 외측에 부착된 실리콘 히터(4)에 의해 가열된다. 실리콘 히터(4)는 컨트롤 보드(16) 및 트랜스포머(20)에 연결된 히터 컨트롤러(19)와 컨트롤 보드(16)에 연결된 온도 센서(9)에 의해 일정 수온을 유지하도록 동작하게 된다. 일정 온도로 가열된 후 발이 발 수조(1)에 놓이면 다시 물이 스캐닝 수조(2) 내로 공급되고 발 수조(1)의 외측으로부터 발 수조(1)의 내부로 물이 유입된다. 유입되는 물은 발 수조(1) 내부의 발 수조 수위 센서(7)에 의해 감지되는 양 만큼 채워지게 되고 스캐닝이 이루어지게 된다. 스캐닝이 끝나면 컨트롤 보드(16)에 연결된 제 1 솔레노이드 밸브(12)가 개방되고 컨트롤 보드(16)에 연결된 배출 펌프(11)가 동작하여 발 수조(1) 내부의 물이 배출 수조(15)로 배출된다. 다시 스캐닝이 시작되면, 물이 스캐닝 수조(2)로 다시 유입되고 발 수조 수위센서(7)에 의해 감지되는 양 만큼의 물이 채워지게 된다. 스캐닝 수조(2) 내의 물을 배출하기 위해서는 컨트롤 보드(16)에 연결된 제 2 솔레노이드 밸브(13)가 개방되고 컨트롤 보드(16)에 연결된 배출 펌프(11)가 동작하여 스캐닝 수조(2) 내부의 물이 배출 수조(15)로 배출된다.The supply and circulation of water for scanning is carried out as follows. The silicon is attached to the outside of the scanning tank 2 by filling the inside of the scanning tank 2 with the amount of water detected by the scanning tank level sensor 8 through the supply pump 10 connected to the supply tank 14. It is heated by the heater 4. The silicon heater 4 is operated to maintain a constant water temperature by the heater controller 19 connected to the control board 16 and the transformer 20 and the temperature sensor 9 connected to the control board 16. When the foot is placed in the water repellent bath 1 after being heated to a predetermined temperature, water is again supplied into the scanning bath 2 and water is introduced into the water repellent tank 1 from the outside of the water repellent bath 1. The incoming water is filled by the amount detected by the water / water level sensor 7 inside the water / water tank 1, and scanning is performed. After scanning, the first solenoid valve 12 connected to the control board 16 is opened and the discharge pump 11 connected to the control board 16 is operated so that the water inside the water repellent tank 1 is discharged to the discharge tank 15. Discharged. When scanning is started again, water flows back into the scanning bath 2 and is filled with the amount of water detected by the water repellent bath level sensor 7. In order to discharge the water in the scanning bath 2, the second solenoid valve 13 connected to the control board 16 is opened and the discharge pump 11 connected to the control board 16 is operated to operate the inside of the scanning bath 2. Water is discharged to the discharge tank 15.

스캐닝 시스템 내부의 컨트롤 보드(16)는 컴퓨터 시스템 내부의 입출력 보드(17)와 연결되어 스캐너 내부의 신호들을 입출력 보드(17)로 전송하고, 입출력 보드(17)로부터의 명령을 전송 받도록 되어 있다.The control board 16 inside the scanning system is connected to the input / output board 17 inside the computer system to transmit signals in the scanner to the input / output board 17 and receive commands from the input / output board 17.

다음으로 상술한 바와 같은 본 발명의 초음파 골영상 진단장치의 세부 동작을 상세하게 설명한다. 먼저 컴퓨터 시스템에 설치된 사용자 소프트웨어를 이용하여 초음파 골영상 진단장치를 작동시키면 제 3 솔레노이드 밸브(37)가 개방되고 공급펌프(10)가 작동하여 공급수조(14)로부터 스캐닝 수조(2)와 발 수조(1)에 물이 채워지며 일정 수위가 되면 스캐닝 수조수위센서(8)와 발 수조 수위 센서(7)로부터 오는 신호가 컨트롤 보드(16)에 입력되어 제 3 솔레노이드 밸브(37)를 차단하고 공급펌프(10)를 정지시켜 물 공급이 중단된다.Next, the detailed operation of the ultrasound bone imaging apparatus of the present invention as described above will be described in detail. First, when the ultrasonic bone imaging apparatus is operated by using the user software installed in the computer system, the third solenoid valve 37 is opened and the supply pump 10 is operated so that the scanning tank 2 and the water repellent tank from the supply tank 14 can be operated. (1) When the water is filled and the water level reaches a certain level, signals from the scanning water level sensor 8 and the water level sensor 7 are input to the control board 16 to block and supply the third solenoid valve 37. The water supply is stopped by stopping the pump 10.

스캐닝 수조(2) 외부에 설치된 실리콘 히터(4)에 의해 공급된 물이 가열되며 일정 온도에 도달하게 되면 온도센서(9)의 신호를 컨트롤 보드(16)가 받아 히터 컨트롤러(19)로 보내줌으로서 히터 컨트롤러(19)에 연결된 실리콘 히터(4)를 제어해 일정 온도를 유지케 한다. 그 후 컴퓨터 시스템(200)에서 측정부위인 발을 발 수조(1)에 넣으라는 화면이 나오게 되면 발을 발 수조(1)에 넣은 후 측정을 하게 된다.When the water supplied by the silicon heater 4 installed outside the scanning bath 2 is heated and reaches a predetermined temperature, the control board 16 receives the signal of the temperature sensor 9 and sends it to the heater controller 19. The silicon heater 4 connected to the heater controller 19 is controlled to maintain a constant temperature. Then, when the screen to put the foot in the water repellent tank 1 in the computer system 200 comes out to put the foot in the water repellent tank (1) to measure.

측정을 시작하면 암(arm)이 스테핑 모터 드라이버(22)로 구동되는 스테핑 모터(5)에 의해 x축과 y축으로 계단식 이송을 하며, 이와 동시에 암(arm)의 끝 부분에 장착된 초음파 탐촉자(3)는 초음파 펄서/리시버(18)로부터 신호를 받아 펄스 초음파를 측정부에 발사해 반복스캐닝을 통해 얻어진 초음파 파라미터의 변화량을 분석하여 변화량이 일정조건에 다다르는 경우에 실측정에 들어가는 안정성 테스트를 거친다.When the measurement is started, the arm is cascaded by the stepping motor 5 driven by the stepping motor driver 22 in the x-axis and the y-axis, and at the same time, the ultrasonic transducer mounted at the end of the arm (3) receives a signal from the ultrasonic pulser / receiver 18 and fires pulse ultrasonic waves to the measurement unit to analyze the amount of change of the ultrasonic parameters obtained through repetitive scanning to perform a stability test to enter the actual measurement when the amount of change reaches a certain condition. Rough

이러한 안정성 테스트(Stability Test)가 끝난후 최종적으로 스캐닝을 한 후 측정 중심 영역(ROI: )(26)을 정확하게 지정하게 된다. 측정 중심 영역(ROI:Region of Interest)(26)을 지정한 후 기준패턴과 비교 분석하고, 3차원 입체 영상을 볼 수 있게 된다.After the end of the stability test (Stability Test), the final measurement center (ROI) (26) is correctly specified. The ROI (Region of Interest) 26 is designated, compared with the reference pattern, and the 3D stereoscopic image can be viewed.

마지막으로 측정결과 얻어진 각종 수치와 진단 그래프를 이용하여 환자의 뼈 상태를 진단할 수 있게 된다.Finally, the patient's bone condition can be diagnosed using various figures and diagnostic graphs.

측정이 끝나게 되면 컨트롤 보드(16)에 연결된 제 2 솔레노이드 밸브(13)가 개방되고 배출펌프(11)가 작동하여 발 수조(1)와 스캐닝 수조(2)로부터 물이 빠지며 이 물은 배출수조(15)로 들어간다. 물이 모두 배출되면 스캐닝 수조 수위 센서(8)와 발 수조 수위 센서(7)로부터 오는 신호를 컨트롤 보드(16)가 받아 제 1 솔레노이드 밸브(12) 및 제 2 솔레노이드 밸브(12)를 차단하고 공급펌프(10)를 정지시켜 물 배출이 중단된다.When the measurement is finished, the second solenoid valve 13 connected to the control board 16 is opened and the discharge pump 11 is operated to drain water from the water repellent tank 1 and the scanning tank 2, and this water is discharged to the discharge tank ( Go to 15). When all the water is discharged, the control board 16 receives signals from the scanning bath water level sensor 8 and the water bath level sensor 7 to shut off and supply the first solenoid valve 12 and the second solenoid valve 12. The water discharge is stopped by stopping the pump 10.

본 발명에 따른 초음파 골영상 진단장치의 진단 알고리즘은 형상지수(GI) 및 초음파 순수 감쇄(UA)를 이용하여 발뒤꿈치 뼈의 측정 중심 영역(ROI)을 구할 수 있으며, 이를 사용자 소프트웨어를 통해 자동으로 찾음으로써(Auto ROI) 진단의 신뢰성과 정확성이 보장된다.The diagnostic algorithm of the ultrasonic bone imaging apparatus according to the present invention can obtain the measurement center region (ROI) of the heel bone by using the shape index (GI) and the pure ultrasonic attenuation (UA), which are automatically obtained through user software. By finding (Auto ROI), the reliability and accuracy of the diagnosis is guaranteed.

또한, 각 스캐닝 포인트에서 초음파 반사법에 의해 계산된 발뒤꿈치 뼈의 두께를 이용하여 발뒤꿈치에서의 정확한 초음파 속도(SOS) 및 두께까지 고려된 정확한 골다공증 진단이 가능한 표준화된 초음파 광대역 감쇄(nBUA: normalized BUA), 초음파 순수 감쇄(nUA: normalized UA)의 계산이 가능하며, 형상지수(GI)를 이용하여 발뒤꿈치 뼈의 외곽 형상 추출이 이루어지고 이 값과 구해진 뼈의 두께를 이용하여 발뒤꿈치 뼈의 3차원 영상화가 가능하다.In addition, the standardized BUA (nBUA: normalized BUA) allows accurate diagnosis of osteoporosis, taking into account the exact SOS and thickness of the heel using the thickness of the heel bone calculated by ultrasound reflex at each scanning point. Ultrasonic Pure Attenuation (nUA: normalized UA) can be calculated, and the shape index (GI) is used to extract the outer shape of the heel bone. Dimensional imaging is possible.

도 4는 형상지수(GI)(24)의 계산원리를 설명하기 위한 도면이다. 형상지수(GI)(24)는 스캐닝시 각 측정점에서 초음파 투과법에 의해 발뒤꿈치 뼈를 투과하여 수신된 시간영역 초음파 신호(23)의 진폭 중 그 최대 값을 취하는 것이다. 이러한 형상지수(GI)는 측정 매질인 물의 온도가 체온에 가까울수록 발뒤꿈치 뼈, 피부 및 연 조직, 그리고 물에서 값의 급격한 차이를 보이는 바, 이를 이용하여 사용자 소프트웨어 상에서 뼈의 외곽 형상을 추출하게 된다 또한 (25)는 발뒤꿈치 뼈의 형상을 나타낸 그림이며 (26)은 측정중심영역(ROI)의 개략적 위치를 나타낸다.4 is a diagram for explaining the calculation principle of the shape index (GI) 24. The shape index (GI) 24 is the maximum value of the amplitude of the time-domain ultrasonic signal 23 received through the heel bone by ultrasonic transmission at each measurement point during scanning. This shape index (GI) shows a sharp difference in the values of the heel bone, skin and soft tissue, and water as the temperature of the water, which is the measurement medium, approaches the body temperature. (25) shows the shape of the heel bone and (26) shows the schematic location of the center of measurement (ROI).

도 5는 발뒤꿈치 뼈 형상지수(GI)의 국부적 최대값(28)과 초음파 순수 감쇄(UA)의 국부적 최소값(27)을 이용하여 발뒤꿈치 뼈의 측정 중심영역(ROI)(26)을 정하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다. 먼저, 형상지수(GI)를 이용하여 발뒤꿈치 뼈 외곽 형상추출과 초음파 순수 감쇄(UA)의 국부적 최소값을 검색하고(S1), 발뒤꿈치 뼈 형상지수(GI)의 국부적 최대값을 구한다(S2). 이어서, 발뒤꿈치 뼈 형상지수(GI)의 국부적 최대영역과 초음파 순수 감쇄(UA)의 국부적 최소영역을 이용하여 발뒤꿈치 뼈의 측정 중심 영역(ROI)을 구할 수 있다(S1).5 is a process of determining the measurement center region (ROI) 26 of the heel bone by using the local maximum value 28 of the heel bone shape index (GI) and the local minimum value 27 of the pure ultrasonic attenuation (UA). This is a flowchart for explaining. First, the local minimum of the heel bone contour extraction and the ultrasonic pure attenuation (UA) is searched using the shape index (GI) (S1), and the local maximum value of the heel bone shape index (GI) is obtained (S2). . Subsequently, the measurement center region ROI of the heel bone may be obtained using the local maximum region of the heel bone shape index GI and the local minimum region of the pure ultrasonic attenuation UA (S1).

도 6은 형상지수(GI)를 이용한 측정중심영역(ROI)의 산출 원리를 설명하기위한 도면이다. 30은 발뒤꿈치 뼈를 스캐닝 할 때의 초음파 센서의 위치를 나타낸 도면으로, 초음파 탐촉자(3)가 이동하면서 발 뒤꿈치 뼈를 스캐닝함으로써 형상지수(GI)를 산출하여 측정중심영역(ROI)을 정할 수 있다. 31은 발뒤꿈치 뼈를 스캔했을 때의 초음파 신호를 나타내고, 32는 발뒤꿈치 뼈와 피부 및 피부 연조직 경계를 스캔했을 때의 초음파 신호를 나타내며, 33은 물 부분을 스캔했을 때의 초음파 신호를 나타낸다. 도 6에서 34는 31, 32, 및 33의 각각의 초음파 신호에서 추출된 형상지수(GI)를 이용하여 구성한 발뒤꿈치 뼈의 영상이고, 35는 32의 초음파 신호가 31의 초음파 신호로 나오기 직전 초음파 신호가 급격히 감소하는 부분의 형상지수(GI) 값을 이용하여 발뒤꿈치 뼈의 외곽형상을 추출한 영상이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 물, 발뒤꿈치 뼈와 피부 및 피부 연조직의 경계, 발뒤꿈치 뼈 부분을 스캔했을 때의 초음파 신호에 의한 각각의 초음파 신호에서 추출된 형상지수(GI)를 이용하여 구성한 발뒤꿈치 뼈의 영상(34)을 얻을 수 있다. 또한, 발 뒤꿈치 뼈와 피부 및 피부 연조직 경계를 스캔했을 때의 초음파 신호(32)가 발뒤꿈치 뼈를 스캔했을 때의 초음파 신호(31)로 나오기 직전 초음파 신호가 급격히 감소하는 부분의 형상지수(GI) 값을 이용하여 발 뒤꿈치 뼈의 외곽 형상을 35와 같이 추출(Edge Detection)할 수 있다.6 is a view for explaining the principle of calculation of the measurement center region ROI using the shape index (GI). 30 is a view showing the position of the ultrasonic sensor when scanning the heel bone, the ultrasonic probe (3) is moved while scanning the heel bone to calculate the shape index (GI) to determine the measurement center area (ROI) have. 31 represents an ultrasound signal when the heel bone is scanned, 32 represents an ultrasound signal when the heel bone and the skin and soft tissue boundaries are scanned, and 33 represents an ultrasound signal when the water portion is scanned. In FIG. 6, 34 is an image of a heel bone constructed using a shape index (GI) extracted from respective ultrasound signals of 31, 32, and 33, and 35 is an ultrasound just before 32 ultrasound signals are generated as 31 ultrasound signals. This is an image extracted from the shape of the heel bone by using the shape index (GI) value of the portion where the signal decreases rapidly. As shown in FIG. 5, water, the heel bone and the boundary between the skin and the soft tissue, and the shape index (GI) extracted from each ultrasonic signal by the ultrasonic signal when the heel bone portion is scanned An image 34 of the heel bone can be obtained. In addition, the shape index (GI) of the portion where the ultrasonic signal 32 at the time of scanning the heel bone and the skin and the skin soft tissue boundary rapidly decreases before the ultrasonic signal 31 at the heel bone scan comes out as the ultrasonic signal 31. ), The edge shape of the heel bone can be extracted as shown in 35 (Edge Detection).

본 발명의 초음파 골영상 진단장치는 골다공증 진단 파라미터인 초음파 광역밴드 감쇄(BUA)와 초음파 속도(SOS)의 선형 조합에 의해 골다공증 지수(OI: Osteoporosis Index)를 산출하고, 이러한 각각의 진단 파라미터를 이용하여 골질을영상화할 수 있는 것을 특징으로 한다.The ultrasound bone imaging apparatus of the present invention calculates an osteoporosis index (OI) by a linear combination of ultrasound wide band attenuation (BUA) and ultrasound speed (SOS), which are osteoporosis diagnostic parameters, and uses the respective diagnostic parameters. It can be characterized by being able to image the bone.

감쇄로 인한 초음파 신호,의 진폭 감소는 하기 식의 지수함수 형태로 나타내어진다.The amplitude reduction of the ultrasonic signal, due to attenuation, is represented by the exponential form of

A = A0e-αx A = A 0 e -αx

상기 식에서, A0는 초기 진폭이며, A는 초음파 발신점으로부터 떨어진 거리 x에서의 진폭이다. α는 감쇄계수로서, 다시 표현하면 하기 식과 같다.Where A 0 is the initial amplitude and A is the amplitude at distance x away from the ultrasonic origin. α is a damping coefficient, which is expressed as follows.

여기서, 진폭은 수신된 초음파 신호의 주파수영역으로의 변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 이용하여 구할 수 있다. 도 7은 초음파 광대역 감쇄(BUA)의 계산원리를 나타내는 것으로 증류수 만을 통과하여 수신된 초음파 신호를 주파수영역으로 변환하고 증류수 속의 종골을 통과하여 수신된 초음파 신호를 주파수영역으로 변환한 뒤 얻어진 두 주파수 스펙트럼을 dB단위의 진폭으로 나타낸다. 얻어진 두 초음파 신호의 주파수 스펙트럼에서의 진폭의 차이를 0.3∼0.7MHz대역에서 주파수별로 구한 뒤, 이 값들을 선형회귀 분석하여 구해진 직선의 기울기가 초음파 광대역 감쇄(BUA) 값이 된다.Here, the amplitude may be obtained by using a fast Fourier transform (FFT) of the received ultrasonic signal. FIG. 7 illustrates the calculation principle of ultrasonic broadband attenuation (BUA). Two frequency spectra obtained after converting an ultrasonic signal received through distilled water only into a frequency domain and converting an ultrasonic signal received through a calcaneus in distilled water into a frequency domain Is the amplitude in dB. After obtaining the difference in amplitude in the frequency spectrum of the two ultrasonic signals obtained for each frequency in the 0.3 to 0.7 MHz band, the slope of the straight line obtained by linear regression analysis of these values becomes the ultrasonic broadband attenuation (BUA) value.

도 8은 초음파 순수 감쇄(UA)의 계산원리에 대한 것으로 초음파 광대역 감쇄의 계산 시와 동일한 방법으로 두 개의 주파수 영역 초음파 신호를 구한다. 얻어진 두 주파수 스펙트럼을 dB단위의 진폭으로 나타낸 후 0.5MHz에서의 두 진폭의 차이 값을 구하여 초음파 순수 감쇄(UA)를 계산한다.FIG. 8 illustrates the calculation principle of pure ultrasonic attenuation (UA) and obtains two frequency-domain ultrasonic signals in the same manner as in the calculation of ultrasonic broadband attenuation. Ultrasonic pure attenuation (UA) is calculated by expressing the two frequency spectrums as amplitude in dB and calculating the difference between the two amplitudes at 0.5 MHz.

도 9는 초음파 속도(SOS)를 구할 때 사용하는 초음파 신호의 도달 시간 차이를 나타낸 것이다. 먼저 증류수만을 통과하여 수신되는 초음파 신호의 도달 시간(t1)과 종골을 통과하여 수신되는 초음파 신호의 도달시간(t2)를 계산하여 도달시간의 차이(Δt = t1- t2)를 계산할 수 있다. 계산된 초음파 신호의 도달시간 차이 및 종골의 두께(d)를 이용하여 종골에서의 초음파 속도(SOS)는 하기 식들에 의해 구할 수 있다.9 illustrates a difference in arrival time of an ultrasonic signal used to obtain an ultrasonic velocity (SOS). First, the difference in arrival time (Δt = t 1 -t 2 ) is calculated by calculating the arrival time (t 1 ) of the ultrasonic signal received only through distilled water and the arrival time (t 2 ) of the ultrasonic signal received through the calcaneus. Can be. Using the calculated difference in arrival time of the ultrasonic signal and the thickness d of the calcaneus, the ultrasonic velocity SOS at the calcaneal can be obtained by the following equations.

여기서, SOS는 종골에서의 초음파 속도(m/s), SOSw는 증류수 속에서의 초음파 속도(m/s), t1은 증류수에서의 초음파 도달시간(s), t2는 종골을 통과한 초음파의 도달시간(s), Δt는 측정된 두 초음파 신호의 도달시간 차이(s), dw는 초음파 탐촉자들 사이의 거리(m), d는 종골의 두께이다.Where SOS is the ultrasonic velocity (m / s) in the calcaneus, SOS w is the ultrasonic velocity (m / s) in the distilled water, t 1 is the ultrasonic arrival time (s) in distilled water, t 2 is the The arrival time (s) of the ultrasonic waves, Δt is the difference in time of arrival (s) of the two ultrasonic signals measured, d w is the distance (m) between the ultrasonic transducers, d is the thickness of the calcaneus.

종골의 두께는 각각의 초음파 탐촉자를 사용한 반사법을 이용하여 구할 수 있으며, 이는 초음파 탐촉자 사이의 거리로부터 각 탐촉자에서 종골까지의 거리를 뺀 최종거리이다. 즉, 종골의 두께(d)는 식(4)와 같이 얻어진다.The thickness of the calcaneus can be obtained by using the reflection method using the respective ultrasonic transducers, which is the final distance obtained by subtracting the distance from each transducer to the calcaneus from the distance between the ultrasonic transducers. That is, the thickness d of the calcaneus is obtained as in Equation (4).

d = dw- d1- d2= dw- cw(t1+ t2)d = d w -d 1 -d 2 = d w -c w (t 1 + t 2 )

여기서, d는 종골의 두께이며, d1과 d2는 각 초음파 탐촉자로부터 종골까지의 거리이며, t1과 t2는 초음파 신호의 각 초음파 탐촉자로부터 종골까지의 도달시간이다. cw는 증류수에서의 음속을 나타내고 있다. 여기서, cw는 온도의 함수이며, 아래 식과 같이 표현된다.Here, d is the thickness of the calcaneus, d 1 and d 2 are the distances from the ultrasonic transducers to the calcaneus, and t 1 and t 2 are the arrival times from the ultrasonic transducers to the calcaneus of the ultrasonic signal. c w represents the speed of sound in distilled water. Where c w is a function of temperature and is expressed as

본 발명에서 골밀도 측정을 위한 파라미터로 이용되는 골다공증지수(OI)는초음파 광역밴드 감쇄(BUA)와 초음파속도(SOS)의 선형조합으로 하기 수학식 1과 같이 정의된다.Osteoporosis index (OI) used as a parameter for measuring bone density in the present invention is defined as Equation 1 as a linear combination of ultrasonic wide band attenuation (BUA) and ultrasonic speed (SOS).

골다공증지수(OI) = αBUA + β(SOS-γ)Osteoporosis index (OI) = αBUA + β (SOS-γ)

상기 식에서, α와 β는 BUA와 SOS 각각의 파라미터에 대한 가중치이며, γ는 BUA와 SOS의 상대적인 값의 크기를 맞추기 위해 사용된 계수이다. 즉, SOS가 연골의 골밀도, 재료의 탄성계수와 관련을 갖고 BUA가 연골의 이방성, 다공질, 다공의 크기와 같은 뼈의 미세구조와 관련을 가지는 것을 이용, 이 두가지 파라미터의 조합으로 이루어진 골밀도 및 뼈의 미세구조를 모두 반영하는 골다공증지수(OI)로 골다공증을 진단하여 신뢰성 높은 진단 결과를 얻을 수 있다. 골다공증지수(OI)가 높을수록 뼈의 상태가 양호함을 나타내고, 골다공증지수가 낮을수록 좋지 않은 상태를 나타낸다.Where α and β are the weights for the parameters of BUA and SOS, respectively, and γ is the coefficient used to match the magnitude of the relative values of BUA and SOS. That is, SOS is related to bone mineral density of cartilage and elastic modulus of material, and BUA is related to bone microstructure such as cartilage anisotropy, porosity and pore size. Osteoporosis can be diagnosed with an osteoporosis index (OI) that reflects all of the microstructures of the microstructure to obtain reliable diagnosis. Higher osteoporosis index (OI) indicates better bone condition, and lower osteoporosis index indicates poorer condition.

도 10은 발뒤꿈치 뼈의 3차원 영상화를 위한 알고리즘의 설명도로서 개발된 초음파 펄서/리시버를 이용하여 각 측정점에서의 초음파 반사법을 이용하여 발뒤꿈치 뼈(25)의 두께를 구할 수 있으며, 초음파 투과법을 이용하여 형상지수(GI)(24)에 의해 발뒤꿈치 뼈(25)의 외곽 형상을 추출하여 발뒤꿈치 뼈의 3차원 영상화에 사용할 수 있다. 즉, 형상지수(24)를 이용하여 뼈의 외곽을 추출하고 각 스캐닝 지점에서의 발뒤꿈치 뼈(25)의 두께를 구하여 각 스캐닝 지점에서의 3차원 위치를 계산한 뒤, 각 데이터를 조합하여 발뒤꿈치 뼈(25)의 3차원 영상을 구한다. 도 10에서 36은 각 스캐닝 포인트에서 초음파 반사법으로 측정한 발뒤꿈치 뼈의 두께값과 초음파 투과법을 이용하여 구한 형상지수(GI) 값을 이용하여 3차원 영상화하는 방법의 흐름도이다.10 is an explanatory diagram of an algorithm for three-dimensional imaging of the heel bone using the ultrasonic pulser / receiver developed to obtain the thickness of the heel bone 25 by using the ultrasonic reflection method at each measurement point. The outer shape of the heel bone 25 can be extracted by the shape index (GI) 24 using the method, and used for three-dimensional imaging of the heel bone. That is, the contour of the bone is extracted using the shape index 24, the thickness of the heel bone 25 is obtained at each scanning point, the three-dimensional position is calculated at each scanning point, and the respective data are combined. Obtain a 3D image of the heel bone 25. 10 to 36 are flowcharts of three-dimensional imaging using heel bone thickness values measured by ultrasonic reflection and shape index (GI) values obtained by ultrasonic transmission.

도 10에 도시된 바와 같이, 뼈의 3차원 영상을 위하여 먼저 종골의 중심축(발판부의 한가운데)이 정의되고, 형상지수(GI)를 이용하여 종골의 외곽 형상을 추출하고(S10), 자체 개발된 초음파 펄서/리시버를 이용하여 각각의 초음파 센서로부터 중심축까지의 거리에서 종골까지의 거리를 이용하여 중심축을 기준으로 한 뼈의 두께를 얻을 수 있다(S20). 이것과 형상지수 파라미터에 의해 얻어진 종골의 외곽 형상을 추출하여 종골을 3차원 영상화한다(S30).As shown in FIG. 10, the central axis of the calcaneus (middle of the scaffold) is first defined for the three-dimensional image of the bone, and the outer shape of the calcaneus is extracted using the shape index (GI) (S10), and developed in-house. Using the ultrasonic pulser / receiver, the thickness of the bone based on the central axis may be obtained using the distance from the respective ultrasonic sensors to the central axis to the longitudinal bone (S20). The outer shape of the calcaneus obtained by this and the shape index parameter is extracted to image the calcanoid three-dimensionally (S30).

도 11은 골 강도 평가를 위한 초음파 스캐닝 시의 전체적인 신호처리 알고리즘을 나타내고 있다. 스캐닝이 시작되면 각 스캐닝 지점에서 초음파 신호의 송수신이 이루어진다. 각 지점에서 수신된 초음파 신호는 8Ms(mega sampling)의 샘플링 속도로 A/D 변환되고(S100), 초음파 순수 감쇄(UA) 파라미터 및 초음파 광역밴드 감쇄(BUA) 추출을 위해 신호가 최고치(peak)를 가지는 부분의 전후 일정 영역(128점)의 신호만을 분리하여 고속푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform) 처리한다(S200). 이러한 신호의 분리 목적은, 노이즈 제거 및 신호의 고주파 성분의 저감에 있다. 또한 FFT 처리 시 추출된 초음파 신호의 양 끝단에서의 잘려나간 신호의 성분에 따른 FFT 결과의 오차를 제거하기 위해서 창 함수(Hanning window)를 적용하여 윈도우윙한다. FFT 처리를 통해 얻어진 데이터 수는 10개이며 더 많은 데이터의 확보를 위해 이를 스플라인(Spline) 보간 처리한다. 스플라인 보간을 통해 얻어진 주파수 영역에서의 초음파 곡선 식으로부터 6개의 데이터를 추출하여 사용한다. 위와 같은 방법으로 증류수에서 초음파 신호를 수신하여 처리하고, 종골이 있는 상태에서 각 스캐닝 포인트에서 초음파 신호를 수신하여 처리하여, 각 스캐닝 포인트에서의 감쇄 파라미터 계산에 사용한다. 또한 얻어진 시간 영역 초음파 신호와 각 스캐닝 포인트에서의 종골의 두께를 이용하여 각 스캐닝 포인트에서의 초음파 속도 파라미터의 계산에 이용한다. 이로써 스캐닝 중에 각 스캐닝 포인트에서의 뼈의 두께, 속도, 형상 및 감쇄 파라미터의 계산이 가능하게 되며 이를 이용한 골질 분포의 영상 처리 및 종골의 3차원 영상화가 가능하게 된다.11 shows an overall signal processing algorithm during ultrasonic scanning for bone strength evaluation. When scanning is started, ultrasonic signals are transmitted and received at each scanning point. The ultrasonic signal received at each point is A / D converted to a sampling rate of 8Ms (mega sampling) (S100), and the signal peaks for ultrasonic pure attenuation (UA) parameters and ultrasonic wide band attenuation (BUA) extraction. Only signals of a predetermined region (128 points) before and after the portion having a portion are separated and subjected to Fast Fourier Transform (FFT) (S200). The purpose of this signal separation is to remove noise and reduce high frequency components of the signal. Also, windowing is applied by applying a windowing function to remove the error of the FFT result according to the component of the signal cut out at both ends of the extracted ultrasonic signal. The number of data obtained through the FFT process is 10, and spline interpolation is performed to obtain more data. Six data are extracted from the ultrasonic curve equation in the frequency domain obtained through spline interpolation. The above method receives and processes the ultrasonic signal in distilled water, receives and processes the ultrasonic signal at each scanning point in the state of the calcaneus, and is used for calculating the attenuation parameter at each scanning point. Further, the obtained time-domain ultrasonic signal and the thickness of the calcaneus at each scanning point are used to calculate the ultrasonic velocity parameter at each scanning point. This enables calculation of bone thickness, velocity, shape, and attenuation parameters at each scanning point during scanning, enabling image processing of bone distribution and three-dimensional imaging of calcaneus using the same.

뼈에 대한 기존의 영상 추출과정의 하나인 에지 디텍션(Edge Detection)에서 발생하는 골질 분포의 단순한 평균화로 인한 진단결과의 오류 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 부위별로 골질 분포가 다른 발뒤꿈치 뼈의 골질분포 대한 기준 패턴(Pattern)을 측정된 발뒤꿈치 뼈와 비교 분석하여 골질 분포가 가장 유사한 기준 패턴(Pattern)을 찾아 계산함으로써 정확한 진단 결과를 산출하여 신뢰성을 높일 수 있다.In order to solve the error of the diagnosis result due to the simple averaging of the bone distribution generated by edge detection, which is one of the existing image extraction processes for bone, in the present invention, By comparing and analyzing the reference pattern (Pattern) for bone distribution with the measured heel bone, it is possible to improve the reliability by calculating accurate diagnosis results by calculating and calculating the reference pattern (Pattern) with the most similar bone distribution.

본 발명의 초음파 골영상 진단장치는 기존의 한 지점만을 측정하는 초음파 골다공증 진단기가 지니는 측정 위치에 따른 측정오차를 최소화하여 보다 정확하고신뢰성 있는 골강도의 측정결과를 얻을 수 있고 동시에 발뒤꿈치 뼈 내부의 전체적인 골질을 반영할 수 있는 측정 중심영역(ROI, region of interest)을 자동으로 찾음과 동시에 진단할 수 있다.The ultrasound bone imaging apparatus of the present invention minimizes the measurement error according to the measurement position of the existing ultrasonic osteoporosis diagnostic apparatus that measures only one point, thereby obtaining more accurate and reliable bone strength measurement results, and at the same time, the overall inside of the heel bone. The ROI (region of interest) that can reflect the bone quality can be found automatically and diagnosed at the same time.

또한 설치장소에 크게 구애받지 않으므로 활용 범위도 넓어 개인병원 및 종합병원의 산부인과, 내과, 정형외과 또는 헬스센터에 설치되어 초음파 스캐닝을 통한 신뢰성 있는 높은 골다공증 진단으로 효과적인 골절 치료 및 장래의 골절 예방을 가능하게 하는 효과를 제공할 수 있다.In addition, it is widely used because it is not limited to the installation site, so it can be installed in gynecology, internal medicine, orthopedics or health centers of private hospitals and general hospitals, and it is possible to effectively treat fractures and prevent future fractures with reliable diagnosis of osteoporosis through ultrasonic scanning. Can provide an effect.

Claims (5)

컴퓨터 시스템, 전원분배기, 및 스캐닝 시스템으로 구성된 초음파 골영상 진단장치장치에 있어서, 상기 컴퓨터 시스템이 스캐닝 시스템의 초음파 탐촉자에 의한 스캐닝을 통해 얻어진 초음파 신호를 시간 영역에서 분석하여 초음파 속도(SOS), 발뒤꿈치 뼈를 투과하여 수신된 시간영역 초음파 신호의 진폭의 최대 값인 형상지수(GI), 및 뼈의 두께를 산출하고, 주파수 영역에서 분석하여 초음파 광대역 감쇄(BUA) 및 초음파 순수 감쇄(UA)를 구하며, 형상지수(GI)와 순수감쇄(UA)를 이용하여 측정 중심 영역(ROI)을 추출하고, 이러한 측정 중심 영역에서 BUA와 SOS의 선형조합에 의해 골다공증지수를 산출하는 것을 특징으로 하는 초음파 골영상 진단장치.An ultrasound bone image diagnosis apparatus comprising a computer system, a power distributor, and a scanning system, wherein the computer system analyzes an ultrasonic signal obtained by scanning by an ultrasonic probe of a scanning system in a time domain to determine an ultrasonic velocity (SOS) and a foot. The shape index (GI), which is the maximum value of the amplitude of the time-domain ultrasonic signal received through the heel bone, and the thickness of the bone are calculated and analyzed in the frequency domain to obtain the ultrasonic broadband attenuation (BUA) and the ultrasonic pure attenuation (UA). Ultrasound Bone image, characterized by extracting the measurement center region (ROI) by using the shape index (GI) and pure attenuation (UA), and calculating the osteoporosis index by a linear combination of BUA and SOS in the measurement center region Diagnostic device. 제 1 항에 있어서, 상기 골다공증지수가 하기 수학식 1에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 초음파 골영상 진단장치:The apparatus of claim 1, wherein the osteoporosis index is calculated by Equation 1 below: [수학식 1][Equation 1] OI = αBUA + β(SOS-γ)OI = αBUA + β (SOS-γ) 상기 식에서, α와 β는 BUA와 SOS 각각의 파라미터에 대한 가중치이고, γ는 BUA와 SOS의 상대적인 값의 크기를 맞추기 위해 사용된 계수이다.Where α and β are the weights for the parameters of BUA and SOS, respectively, and γ is the coefficient used to match the magnitude of the relative values of BUA and SOS. 제 1 항에 있어서, 상기 컴퓨터 시스템은 스테핑 모터 구동 드라이버 회로가내장된 디지털 입출력 보드와 스캐닝 시스템 내부에 내장되어 스테핑 모터의 상여자가 이루어지는 인터페이스 카드와 초음파의 송수신을 담당하는 펄서/리시버 보드를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 골영상 진단장치.The computer system of claim 1, wherein the computer system includes a digital input / output board having a stepping motor driving driver circuit, an interface card embedded in the scanning system, and a pulser / receiver board configured to transmit and receive ultrasonic waves. Ultrasound bone imaging apparatus, characterized in that. 제 1 항에 있어서, 상기 스캐닝 시스템이 각 부분의 구동을 위한 컨트롤 보드와 스테핑 모터 드라이버; 컨트롤 보드를 통해 공급되는 물의 온도 제어를 위한 히터; 수조중의 물의 온도를 감지하는 온도 감지 센서; 물의 공급 및 배출을 위한 제 1 , 제 2 및 제 3 솔레노이드 밸브; 공급 펌프와 배출 펌프; 발 수조 수위 센서, 스캐닝 수조 수위 센서, 스케닝 중의 오동작 방지를 위한 x축 및 y축당 2개의 리미트 스위치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 골영상 진단장치.The system of claim 1, wherein the scanning system comprises: a control board and a stepping motor driver for driving each part; A heater for temperature control of water supplied through the control board; A temperature sensor for sensing a temperature of water in the tank; First, second and third solenoid valves for supplying and discharging water; Feed pump and discharge pump; Ultrasonic bone imaging device comprising a water tank water level sensor, a scanning water level sensor, two limit switches per x-axis and y-axis to prevent malfunction during scanning. 제 1항에 있어서, 상기 골다공증 진단기가 형상지수를 이용하여 뼈의 외곽을 추출하고 각 스캐닝 지점에서의 발뒤꿈치 뼈의 두께를 구하여 각 스캐닝 지점에서의 3차원 위치를 계산한 뒤, 각 데이터를 조합하여 발뒤꿈치 뼈의 3차원 영상을 구하는 것을 특징으로 하는 초음파 골영상 진단장치.The method of claim 1, wherein the osteoporosis diagnostic apparatus extracts the outline of the bone using a shape index, calculates the three-dimensional position at each scanning point by calculating the thickness of the heel bone at each scanning point, and then combines the respective data. Ultrasonic bone imaging device, characterized in that to obtain a three-dimensional image of the heel bone.
KR10-2001-0004827A 2001-02-01 2001-02-01 Ultrasonic bone image diagnostic device and method KR100405000B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2001-0004827A KR100405000B1 (en) 2001-02-01 2001-02-01 Ultrasonic bone image diagnostic device and method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2001-0004827A KR100405000B1 (en) 2001-02-01 2001-02-01 Ultrasonic bone image diagnostic device and method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20020064406A true KR20020064406A (en) 2002-08-09
KR100405000B1 KR100405000B1 (en) 2003-11-07

Family

ID=27693010

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2001-0004827A KR100405000B1 (en) 2001-02-01 2001-02-01 Ultrasonic bone image diagnostic device and method

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100405000B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100903589B1 (en) * 2007-10-26 2009-06-23 한국기초과학지원연구원 Apparatus for analyzing image of Magnetic Resonance Imager and method for the same

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160061722A (en) 2014-11-24 2016-06-01 차상민 Ultrasonic tooth bone mineral density system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100903589B1 (en) * 2007-10-26 2009-06-23 한국기초과학지원연구원 Apparatus for analyzing image of Magnetic Resonance Imager and method for the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR100405000B1 (en) 2003-11-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6221019B1 (en) Ultrasonic device for determining bone characteristics
EP0873516B1 (en) Ultrasonic device for determining bone characteristics
US7862510B2 (en) Ultrasonic bone assessment apparatus and method
US7112173B1 (en) Determination of acoustic velocity in bone
EP1060367B1 (en) Determination of acoustic velocity in bone
US20150133782A1 (en) Ultrasonic diagnostic apparatus and elastic evaluation method
JP7090348B2 (en) Systems, methods, and computer program products for determining cortical bone
CN101677809B (en) Bone strength diagnosing apparatus
JP5793239B2 (en) Ultrasonic diagnostic equipment
CA2218682A1 (en) Method and apparatus for osteoporosis diagnosis
Liu et al. Relationships of ultrasonic backscatter with bone densities and microstructure in bovine cancellous bone
US6086538A (en) Methods and apparatus for evaluation of bone condition
KR100404427B1 (en) Bone evaluation device and evaluation method thereof
Rohde et al. Influence of porosity, pore size, and cortical thickness on the propagation of ultrasonic waves guided through the femoral neck cortex: A simulation study
US7833161B2 (en) Bone densitometer and a method thereof
JP5960699B2 (en) Device operating method and device for assessing bone mineral density
de Oliveira et al. Osteoporosis screening: applied methods and technological trends
KR100405000B1 (en) Ultrasonic bone image diagnostic device and method
KR102140538B1 (en) Apparatus for estimating bone mineral density and bone structure using frequency dependence of ultrasonic backscatter coefficient
KR102303922B1 (en) Method for estimating bone mineral density and bone structure using ultrasonic attenuation coefficient and phase velocity
JP3280473B2 (en) Ultrasound diagnostic equipment
KR102364309B1 (en) Method for estimating bone mineral density and bone structure using ultrasonic attenuation coefficient and backscatter coefficient
Vavva et al. Ultrasound velocity measurements on healing bones using the external fixation pins: a two-dimensional simulation study
Maia et al. Broadband ultrasound attenuation in the calcaneal region: A comparative study of single-position versus scanning systems
Laugier et al. Ultrasound parametric imaging of bone in vivo

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121030

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131015

Year of fee payment: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141030

Year of fee payment: 12

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151030

Year of fee payment: 13

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161027

Year of fee payment: 14

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171027

Year of fee payment: 15

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190918

Year of fee payment: 17