KR20050064936A - 램파를 이용한 골밀도 측정장치 및 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 램파를 이용한 골밀도 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로서,

전기적 신호를 램파로 변환하여 경골에 길이방향으로 조사하는 단계와; 소정 거리에 걸쳐서 전송된 램파를 전기적 신호로 변환시키는 단계와; 상기 전기적 신호를 시간함수로 변환시키는 단계와; 상기 시간함수로 변환된 전기적 신호를 분석하여 램파의 속도를 산출하는 단계와; 상기 램파의 속도로부터 골밀도를 측정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 램파를 이용한 골밀도 측정방법 및, 이를 실시하기 위한 장치인 것을 특징으로 하므로,

피질골로 이루어진 인체의 경골에 램파를 조사하여 골밀도를 측정하므로, 골절의 위험도를 조기에 예측할 수 있고 인체에 유해한 방사선 조사를 받지 않는다는 이점이 있다.

Description

램파를 이용한 골밀도 측정장치 및 측정방법{Device and Method for Bone Mineral Density Measurement by Using Lamb Wave}

본 발명은 램파(Lamb wave)를 이용한 골밀도 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로서, 특히 피질골(cortical bone)로 이루어진 인체의 경골 등에 길이방향으로 램파를 전송, 분석함으로써 골밀도를 측정하고 골다공증(osteoporosis)을 진단하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

골다공증이란 골소실에 의한 골량의 감소 및 골조직의 미세구조 파괴로 인하여 뼈가 약해짐에 따라 작은 충격에도 쉽게 골절이 발생할 수 있는 질환이다. 십여 년 전까지만 해도 골다공증은 대퇴부, 요골부 또는 척추의 골절이 발생한 후 또는 극심한 골소실이 발생한 후에야 비로소 X-선 촬영상에 소견을 보임으로써 진단이 가능하였다. 이와 같이, 뒤늦게 골다공증 진단이 내려지는 진단지연으로 인해 치료가 시작되더라도 대부분 치료효과를 기대할 수 없었으며 어느 순간 골절이 일어나는 것을 거의 피할 수가 없었다. 따라서, 자연스럽게 골다공증의 예방이 강조되어졌고, 예방을 위해서는 본 질환을 조기에 발견할 수 있는 적절한 진단기들의 개발이 요구되었다.

이러한 진단기 중 방사선 조사를 이용한 진단수단으로서 전술한 단순 X-선 촬영법을 들 수 있는데, 이는 비교적 저렴한 경비로 골다공증에 의한 뼈의 극심한 소실을 볼 수 있는 검사이다. 그러나, 이 방법에 따르면, 적어도 30%의 골소실이 발생한 후에야 진단이 가능하며, 약물투여 1-2년 후의 치료효과 판정을 관찰하는 것은 불가능하였다.

한편, 골다공증이 환자의 진단 및 치료 측면에서는 물론 의료보험의 경제적 측면에서도 매우 중요하게 인식됨에 따라서 가능한 한 많은 환자를 대상으로 값싸게 검진할 수 있는 방법들의 개발에 관심을 기울이게 되었다. 이에 따라, 최근에는 동위원소를 에너지원으로 이용하는 대신에, 일반 X-선 촬영기와 유사하게 이중에너지 방사선을 기기 자체로부터 생성시켜 직접 방출시킬 수 있는 이중에너지 방사선 골밀도 측정기(Dual Energy X-ray Absorptiometry: DEXA)가 개발되었고, 현재 국내외적으로 가장 널리 사용되고 있다.

또한, 정량적 컴퓨터 단층촬영기(Quantitative Computed Tomography: QCT)가 공지되어 있으며, 이는 많은 병원에 설치되어 있는 기존의 단층촬영기에 저밀도로부터 점진적으로 고밀도를 나타내는 기준물질이 내장된 보조기구를 설치하여 촬영함으로써, 환자의 골밀도를 비교 및 정량화할 수 있도록 고안된 장치이다. 그러나, 측정시간이 골밀도 측정기보다 오래 걸리며, 노인들에게서 정확도가 떨어지고, 방사선 피폭량이 많으며, 골밀도 측정기와 비교할 때 척추부의 여러 뼈를 동시에 보기 어렵고, 또 촬영시간도 많이 소요된다는 단점이 있었다.

이와 같은 상술한 방사선 조사를 이용한 방법은, 공통적으로 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있다.

그러나, 최근 많은 관심을 끌고 있는 초음파를 이용한 골다공증 진단은 X-선 등에 비해 인체에 미치는 위험이 거의 없으며, 초음파 진단장비는 그 사용이 간편하고 가격이 저렴한 장점을 가지고 있으므로, 의료 및 경제적인 측면에서 환자뿐 아니라 의료보험 경비면에서도 매우 유리하다. 그런데, 현재 병원에서 널리 사용되고 있는 초음파를 이용한 골밀도 측정기는 대부분 초음파를 해면질골(cancellous bone)로 이루어진 인체의 종골에 투과하여 종골의 음속(Speed Of Sound: SOS) 및 광대역밴드 초음파 감쇠량(Broadband Ultrasonic Attenuation: BUA)을 측정함으로써 골밀도를 측정 및 골다공증을 진단하는 방법을 이용하고 있으며, 골절이 처음 발생되는 부분인 피질골의 골밀도를 정확히 측정하는 방식은 개시된 바 없다. 이 또한, 종골과 이를 둘러싼 피부조직의 두께, 종골의 이소성, 측정시 발의 위치 및 초음파 입사각에 따른 측정오차가 크고 재현성이 부족하므로 정확한 골다공증 진단에 한계점을 가지고 있었다.

본 발명은 상술한 초음파 진단장비의 장점을 이용하고 종래기술의 한계점을 극복하기 위하여 안출된 것으로서, 발명의 목적은 피질골로 이루어진 인체의 경골에 길이방향으로 램파를 전송하여 램파의 속도를 측정함으로써, 측정 정밀도 및 재현성이 우수한 골밀도 측정장치 및 측정방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 램파를 이용한 골밀도 측정장치는,

초음파용 전기신호를 발생시키는 초음파 송신부와;

상기 전기신호를 램파로 변환시키는 송신용 초음파 변환기와;

상기 송신용 초음파 변환기로부터 램파를 받아들이는 초음파 수신부와;

상기 초음파 수신부로부터의 램파를 전기적 신호로 변환시키는 수신용 초음파 변환기와;

수신용 초음파 변환기에 의해 변환된 전기적 신호를 시간함수로 변환시키기 위한 신호처리 모듈과;

상기 신호처리 모듈에서 변환된 전기적 신호로부터 램파의 속도 및 골밀도를 구하는 계산모듈과;

이와 같이 얻어진 계산 및 진단결과를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 계산 모듈에서, 램파의 속도와 골밀도는 선형의 관계로 설정되어 있다.

또한, 상기 송신용 초음파 변환기와 수신용 초음파 변환기 사이에는 연결장치가 개재되어 있어, 양자간의 간격이 고정되어 있는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 램파를 이용한 골밀도 측정방법으로는,

전기적 신호를 램파로 변환하여 경골에 길이방향으로 조사하는 단계와;

소정 거리에 걸쳐서 전송된 램파를 전기적 신호로 변환시키는 단계와;

상기 전기적 신호를 시간함수로 변환시키는 단계와;

상기 시간함수로 변환된 전기적 신호를 분석하여 램파의 속도를 산출하는 단계와;

상기 램파의 속도로부터 골밀도를 측정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 골밀도 측정치를, 데이터베이스화된 평균 골밀도와 비교함으로써 골다공증을 진단하는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 광대역밴드 초음파 반사량을 이용한 골밀도 측정장치를 나타낸 것으로, 상기 골밀도 측정장치는 전기적 신호를 램파로 변환시키는 송신용 초음파 변환기(11)와, 램파를 전기적 신호로 변환시키는 수신용 초음파 변환기(12)와, 상기 송신용 초음파 변환기(11)를 구동시키기 위한 초음파 송신부(13)와, 상기 수신용 초음파 변환기(12)를 구동시키기 위한 초음파 수신부(14)와, 상기 초음파 수신부(14)에 의해 구동된 전기적 신호를 시간함수로 변환시키기 위한 신호처리 모듈(15)과, 상기 신호처리 모듈(15)에서 변환된 전기적 신호를 분석하여 램파의 속도 및 골밀도를 계산하는 계산 모듈(14)과, 상기 계산 및 진단결과를 화면으로 나타내는 디스플레이부(15)로 이루어져 있다. 상기 초음파 변환기, 초음파 송수신부 등의 각각은 일반적으로 사용되는 구성요소이므로, 장치에 대한 구체적인 예를 기술하지는 않는다.

먼저, 도 1에 나타낸 송신용 초음파 변환기(11)는 200 kHz 중심주파수의 광대역 주파수 응답특성 및 25.4mm의 직경을 갖도록 제작된다. 또한, 램파 속도측정의 신뢰성 및 재현성을 위해 측정시 송신용 초음파 변환기(11)와 수신용 초음파 변환기(12) 사이의 거리가 고정되도록, 두 초음파 변환기들을 연결하는 고정장치가 이용될 수 있다. 이 고정장치로는 플라스틱에 의해 성형된 프레임 등을 들 수 있으며, 상기 프레임을 통해 두 초음파 변환기가 각각 설치되도록 하면 된다.

도 1의 초음파 송신부(13) 및 송신용 초음파 변환기(11)는 200kHz의 주파수 및 일정한 길이를 갖는 초음파 파열음(tone burst)을 생성시킨다. 그리고, 도 1의 경골에 길이방향으로 조사된 초음파는, 그 전파속도가 경골을 구성하는 피질골의 두께에 따라 변화하는 램파의 특성을 가지고 전송된다.

도 1의 수신용 초음파 변환기(12)와 초음파 수신부(14)에서 구동된 램파의 전기적 신호는 신호처리 모듈(15)에서 시간함수로 변환된다.

도 2는, 램파의 속도를 측정하기 위해 송신용 초음파 변환기(11)와 수신용 초음파 변환기(12) 사이의 거리가 50mm일 때 전송된 램파의 시간함수로서의 파형을 나타내는 그래프이다. 도 2의 파형으로부터 램파의 속도를 구하는 것은 매우 일반적인 과정이므로 상세한 기술은 생략한다.

램파의 속도는 피질골의 골밀도에 의존하므로, 골밀도 변화를 민감하게 반영하는 변수로 이용될 수 있다. 이에 따라서, 측정된 램파의 속도와 직접 측정된 경골의 골밀도의 상관관계를 분석할 수 있는데, 이는 램파의 속도와 골밀도의 단순회귀분석실험을 통해 가능하다. 실험 결과, 다음 식 1과 같은 관계식을 얻을 수 있어, 램파의 속도로부터 골밀도를 용이하게 얻을 수 있다. 이러한 상관관계가 신뢰성을 얻기 위해서는 여러 회의 실험을 통해야 함은 물론이다.

BMD = 0.63SOS - 6.52

여기서, BMD 는 경골의 골밀도이고, SOS 는 램파의 속도이다.

도 1의 디스플레이부(17)에서는 램파의 속도 및 골밀도 측정결과 뿐만 아니라, T-score(젊은 성인의 평균 골밀도와의 비교치) 및 Z-score(동 연령층의 평균 골밀도와의 비교치)로부터 도출된 골다공증 진단결과가 화면으로 표시된다.

골다공증 환자의 경우, 램파의 속도는 골소실에 의한 골량 및 피질골 두께의 감소로 인하여 정상인의 경우에 비하여 매우 다른 값을 가지며, 측정된 램파의 속도와 골밀도의 선형적인 상관관계로부터 골밀도가 산출된다. 그러므로, 데이터베이스화된 젊은 성인의 평균 골밀도 및 동연령층의 평균 골밀도와 램파의 속도로부터 산출된 골밀도를 비교하여 골다공증을 용이하게 진단할 수 있다.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 피질골로 이루어진 인체의 경골에 램파를 조사하여 피질골의 골밀도를 측정하므로 골절의 위험도를 조기에 예측하는데 매우 효과적이라고 할 수 있다.

또한, 인체에 유해한 방사선 조사를 받지 않는다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 골밀도 측정법은, 측정방법이 간단할 뿐만 아니라 측정시간이 짧으므로 진단결과를 신속하게 알 수 있으며, 측정기의 휴대가 용이하고 가능한 많은 환자를 대상으로 값싸게 검진할 수 있다는 이점도 있다.

도 1은, 본 발명에 따른 램파(Lamb wave)를 이용한 골밀도(Bone Mineral Density: BMD) 측정장치를 나타내는 도면이다.

도 2는, 경골(tibia)의 길이방향으로 전송된 램파를 시간에 대하여 나타낸 그래프이다.

<주요 도면부호의 설명>

11 : 송신용 초음파 변환기 12 : 수신용 초음파 변환기

13 : 초음파 송신부 14 : 초음파 수신부

15 : 신호처리 모듈 16 : 계산 모듈

17 : 디스플레이부

Claims (5)

1. 초음파용 전기신호를 발생시키는 초음파 송신부와;

   상기 전기신호를 램파로 변환시키는 송신용 초음파 변환기와;

   상기 송신용 초음파 변환기로부터 램파를 받아들이는 초음파 수신부와;

   상기 초음파 수신부로부터의 램파를 전기적 신호로 변환시키는 수신용 초음파 변환기와;

   수신용 초음파 변환기에 의해 변환된 전기적 신호를 시간함수로 변환시키기 위한 신호처리 모듈과;

   상기 신호처리 모듈에서 변환된 전기적 신호로부터 램파의 속도 및 골밀도를 구하는 계산모듈과;

   이와 같이 얻어진 계산 및 진단결과를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 하는 램파를 이용한 골밀도 측정장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 계산 모듈에서, 램파의 속도와 골밀도는 선형의 관계로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 램파를 이용한 골밀도 측정장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 송신용 초음파 변환기와 수신용 초음파 변환기 사이에는 연결장치가 개재되어 있어, 양자간의 간격이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 램파를 이용한 골밀도 측정장치.
4. 전기적 신호를 램파로 변환하여 경골에 길이방향으로 조사하는 단계와;

   소정 거리에 걸쳐서 전송된 램파를 전기적 신호로 변환시키는 단계와;

   상기 전기적 신호를 시간함수로 변환시키는 단계와;

   상기 시간함수로 변환된 전기적 신호를 분석하여 램파의 속도를 산출하는 단계와;

   상기 램파의 속도로부터 골밀도를 측정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 램파를 이용한 골밀도 측정방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 골밀도 측정치를, 데이터베이스화된 평균 골밀도와 비교함으로써 골다공증을 진단하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 램파를 이용한 골밀도 측정방법.