KR20100068542A - 전자파를 이용한 유방암 진단장치 및 진단방법 - Google Patents

전자파를 이용한 유방암 진단장치 및 진단방법 Download PDF

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Abstract

송신된 전자파가 유방조직을 통과하면서 얻어지는 산란파의 데이터를 이용하여 유방암 존재여부를 진단하고 이를 영상화할 수 있도록, 복수의 안테나가 등각도로 배열되어 설치된 검사대에 검사하고자 하는 유방을 삽입하고, 복수의 안테나와 연결된 중앙처리부에서 각 안테나를 순차적으로 송신용으로 사용하여 전자파를 송신하면서 나머지 안테나를 통하여 수신되는 산란파 데이터를 수집하고, 중앙처리부에서는 수집되는 데이터를 모멘트법과 심플렉스법을 이용하여 처리하고 그 결과를 영상화하여 나타내는 과정을 포함하는 전자파를 이용한 유방암 진단방법을 제공한다.
유방암, 전자파, 진단, 모멘트법, 심플렉스법, 산란, 포워드문제, 안테나

Description

전자파를 이용한 유방암 진단장치 및 진단방법 {Diagnosis Equipment of Breast Tumor Using Electromagnetic Wave and Diagnosis Method of The Same}
본 발명은 전자파를 이용한 유방암 진단장치 및 진단방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 안테나를 등각도로 배열하여 설치하고 각 안테나를 순차적으로 송신으로 사용하고 나머지 안테나를 수신으로 사용하여 유방조직을 통과하면서 얻어지는 산란파의 데이터를 모멘트법을 사용하여 처리하는 것에 의하여 유방암 여부를 탐지하는 것이 가능한 전자파를 이용한 유방암 진단장치 및 진단방법에 관한 것이다.
최근 유방암이 우리나라 여성에게 발병하는 암 1위를 차지하고 있으며, 이는 서구화된 식습관과 비만, 출산율 및 수유의 감소, 조기 초경과 폐경기 지연, 스트레스의 증가, 각종 공해에 노출 등의 현상으로 인하여 발병율이 점차 증가하고 있는 추세이다.
그리고 유방암은 한국 여성의 경우에 40대에 발생 확률이 높고, 정기 검진에 대한 관심 부족으로 발견 당시 3기 이상 진행된 경우도 많다.
그런데 유방암의 경우에는 조기에 발견하여 적절한 치료를 행하면 완치될 가 능성이 높다는 점에서, 예방과 검진, 치료법에 대하여 많은 연구와 홍보가 이루어지고 있다.
따라서 유방암을 조기에 발견하기 위한 자가진단법을 홍보하고 보급하고 있으며, 정밀한 진단을 위하여 초음파검사기, CT 또는 MRI 등의 다양한 진단장치를 활용하고 있다.
상기에서 CT는 검사시간이 짧은 반면에, 암조직과 유방 조직의 대조도가 낮은 단점이 있다. 또 MRI는 암조직과 유방 조직의 대조도는 높은 반면에, 비용이 많이 소요되고, 검사시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
최근에는 CT와 MRI의 단점을 보완하기 위하여 유방 조직과 암조직의 마이크로주파수 대역에서의 상이한 전기적 특성을 이용하여 유방암을 진단할 수 있는 진단장치(전자파를 이용한 유방암 진단장치)의 개발을 추진하고 있다.
그러나 아직 전자파의 해석과 정확도 등에 대한 문제 때문에, 전자파를 이용한 유방암 진단장치의 본격적인 생산 및 사용이 이루어지지 않고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점에 착안하여 이루어진 것으로서, 등각도로 배열하여 복수의 안테나를 설치하고 각 안테나를 순차적으로 송신으로 사용하고 나머지 안테나를 수신으로 사용하면서 중앙에 삽입된 유방조직을 통과하면서 얻어지는 산란파의 데이터를 모멘트법으로 처리하여 유방암 존재여부를 탐지하는 전자파를 이용한 유방암 진단장치를 제공하는데, 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 등각도로 배열하여 설치된 복수의 안테나를 순차적으로 송신으로 사용하고 나머지 안테나를 통하여 수신되는 중앙에 삽입된 유방조직을 통과하면서 얻어지는 산란파의 데이터를 모멘트법으로 처리하여 유방암 존재여부를 진단하고 이를 영상화하는 전자파를 이용한 유방암 진단방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 제안하는 전자파를 이용한 유방암 진단장치는 유방을 삽입할 수 있도록 원형 단면의 공간이 내부에 형성되는 검사대와, 상기 검사대에 등각도로 배열되어 설치되는 복수의 안테나와, 상기 안테나와 연결되어 각 안테나를 순차적으로 송신용으로 사용하면서 나머지 안테나를 수신용을 사용하여 얻어진 테이터를 모멘트법으로 처리하여 유방암 존재여부를 진단하는 중앙처리부를 포함하여 이루어진다.
상기 안테나는 상기 검사대를 등각도로 16등분하여 16개를 설치하는 것이 정 확도와 데이터 처리속도의 양 측면을 감안할 때 유리하다.
본 발명의 전자파를 이용한 유방암 진단방법은 복수의 안테나가 등각도로 배열되어 설치된 검사대에 검사하고자 하는 유방을 삽입하고, 복수의 안테나와 연결된 중앙처리부에서 각 안테나를 순차적으로 송신용으로 사용하여 전자파를 송신하면서 나머지 안테나를 통하여 수신되는 산란파 데이터를 수집하고, 상기 중앙처리부에서는 수집되는 데이터를 모멘트법(moment method)과 심플렉스법(simplex method)을 이용하여 처리하고 그 결과를 영상화하여 나타내는 과정을 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단장치 및 진단방법에 의하면, 등각도로 분할 배열된 복수의 안테나를 이용하여 데이터를 수집하므로, 유방 전체에 대한 보다 정밀한 검사 데이터를 얻는 것이 가능하다.
그리고 본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단장치 및 진단방법에 의하면, 얻어진 산란파에 대한 데이터를 모멘트법을 이용하여 처리하므로 시간영역유한차분(FDTD)법을 사용하는 것에 비하여 후리에 변환 등의 번거로운 작업을 생략하는 것이 가능하다.
따라서 본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단장치 및 진단방법에 의하면, 전자파를 이용하여 효과적으로 유방암을 빠른 시간에 진단하는 것이 가능하고, 새로운 방식의 진단장치를 제공하는 것이 가능하다.
다음으로 본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단장치 및 진단방법의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저 본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단장치의 일실시예를 도 1 내지 도 2에 나타낸 바와 같이, 검사대(40)와, 복수의 안테나(20)와, 중앙처리장치(30)를 포함하여 이루어진다.
상기 검사대(40)는 유방을 삽입할 수 있도록 원형 단면의 공간이 내부에 형성된다.
상기 검사대(40)에는 360°를 등각도로 분할하여 상기 안테나(20)를 설치하기 위한 구조(도면에 나타내지 않음)를 형성한다.
상기 안테나(20)는 검사대(40)에 등각도로 분할하여 설치된다.
상기 안테나(20)는 다이폴 안테나를 사용하는 것도 가능하고, 마이크로스트립 안테나 또는 인쇄 안테나 등의 다양한 구성으로 구현하는 것이 가능하다.
예를 들면, 상기 안테나(20)는 상기 검사대(40)를 등각도로 16등분하여 16개를 설치한다.
상기와 같이 안테나(20)를 16개를 한조로 구성하여 설치하는 것이 정확도와 데이터 처리속도의 양 측면을 감안할 때 유리하다.
상기 안테나(20)는 각각 상기 중앙처리부(30)에 연결되어 서로 신호를 송수신하도록 구성된다.
상기 중앙처리부(30)에서는 각 안테나를 순차적으로 송신용으로 사용하면서 나머지 안테나를 수신용을 사용한다.
예를 들면, 도 2에 있어서, 1번 안테나(20)를 송신용으로 사용하면, 나머지 2∼16번 안테나(20)는 수신용으로 사용한다. 이어서 2번 안테나(20)를 송신용으로 사용하고, 나머지 3∼16번 및 1번 안테나(20)를 수신용으로 사용한다. 이러한 과정을 16번 안테나(20)를 송신용으로 사용하고, 1∼15번 안테나(20)를 수신용으로 사용하기까지 순차적으로 수행한다.
상기 중앙처리부(30)에서는 상기와 같이 안테나(20)를 순차적으로 송신용과 수신용으로 전환하면서 얻어진 데이터를 모멘트법 및 심플렉스법을 이용하여 처리하고, 이를 바탕으로 유방암 존재여부를 진단할 수 있도록 구성된다.
일반적으로 유방은 크게 지방조직과 유선조직으로 구성되어 있으며, 암환자의 경우에는 암조직이 추가로 구성된다. 그런데 지방조직과 암조직의 전기적 특성인 유전율과 도전율은 통상적으로 10배 정도의 차이(도 3 참조)를 나타낸다. 도 3에는 지방조직, 유선조직, 암조직의 유전율과 도전율을 50MHz∼5GHz의 주파수에서 측정한 값을 그래프로 나타낸다.
실제 유방에 있어서 유선은 원추형의 샘조직으로 이루어지며, 독특한 모양을 나타내고, 샘조직 자체가 관세포가 연속된 끈처럼 구성된 15∼20개의 엽으로 구성되므로, 특정 부위에 돌출되어 위치하는 암조직과는 그 형태가 확연하게 구분된다.
따라서 유선조직과 암조직의 유전율 및 도전율이 크게 차이가 나지 않는 경우에도, 지방조직과의 구별만 가능하다면 암조직을 구별해내는 것이 매우 용이하다.
본 발명에서는 이러한 점에 착안하여 전자파를 인가한 다음 지방조직과 암조 직의 유전율과 도전율의 차이를 바탕으로 암조직을 진단하기 위한 진단장치를 개발한 것이다. 즉 본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단장치의 실시예는 유방에 전자파를 인가한 다음 산란파를 측정하여 내부 암조직의 위치를 탐지하도록 구성한다.
다음으로 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단장치의 일실시예를 이용하여 유방암을 진단하는 과정을 설명한다.
본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단방법의 일실시예는 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 복수의 안테나(20)가 등각도로 배열되어 설치된 검사대(40)에 검사하고자 하는 유방을 삽입하고(S10), 복수의 안테나(20)와 연결된 중앙처리부(30)에서 각 안테나(20)를 순차적으로 송신용으로 사용하여 전자파를 송신하면서 나머지 안테나(20)를 통하여 수신되는 산란파 데이터를 수집하고(S20), 상기 중앙처리부(30)에서는 수집되는 데이터를 모멘트법(moment method)과 심플렉스법(simplex method)을 이용하여 처리하고 그 결과를 영상화하여 나타내는 과정(S30)을 포함하여 이루어진다.
상기에서 16개의 안테나(20)를 1번씩 송신용을 사용하여 총 16번에 대한 측정으로 행하면,얻어지는 데이터는 240개가 된다. 측정 데이터는 주파수(예를 들면 900MHz)에서 안테나(20)의 번호, 수신 레벨의 크기, 위상 순으로 수집되어 저장된다.
상기와 같이 수집된 데이터를 처리하는 과정에서 발생되는 문제는 도 5에 나타낸 바와 같이, 포워드문제(forward problem)와 역산란문제(inverse ploblem)이 다.
본 발명의 실시예에서는 포워드문제는 모멘트법(moment method)을 사용하여 해결하고, 역산란문제는 심플렉스법(simplex method)을 사용하여 해결한다.
상기에서 모멘트법을 사용하여 포워드문제를 해결하게 되면, 시간영역유한차분(FDTD)법을 사용하는 경우에는 측정 데이터가 주파수에서 크기와 위상 값으로 기록되기 때문에 시간영역 해석시에 후리에 변환을 통하여 주파수영역으로 변경하여야 하는 번거로운 작업이 필요하지만, 모멘트법에서는 이를 생략할 수 있다는 장점이 있다.
다음으로 본 발명의 실시예에서 모멘트법의 적용을 도 6에 나타낸 역산란의 문제를 예를 들어 설명한다.
즉 입사전계(Ei)가 산란체(예를 들면 검사대(40)에 삽입된 유방조직)에 입사하면 산란전계(Es)가 발생하며, 산란전계(Es)는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008085874464-PAT00001
상기 수학식 1에 있어서, dintΩ는 이중적분을 나타내고, G(ρ,ρ')는 다음의 수학식 2와 같이 나타내어진다.
Figure 112008085874464-PAT00002
상기 수학식 2에서, H0 (2)는 제2종 헨켈(Hankel) 함수를 나타낸다.
도 2 및 도 6에서 입사전계(Ei)와 산란전계(Es)를 고려하면, 전체 전계(Et)는 입사전계(Ei)와 산란전계(Es)의 합으로 나타낼 수 있으며, 전체전계(Et)는 다음의 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
Figure 112008085874464-PAT00003
그리고 도 6에 나타낸 바와 같이, 각각의 입사각(θ=θℓ, ℓ=1, 2, ..... , L)에 대하여 수신점(Φ=Φm, m=1, 2, ..... , M)에서 측정한 산란전계(Es)를 측정(측정 데이터는 L×M 개)하고, 이를 이용하여 산란체(유방조직)의 전기적인 특성을 추정한다.
먼저, 전체 전계(Et) 및 유전체의 전기적인 특성을 나타내는 유전율 함수(c)를 펄스함수로 전개하면 각각 다음의 수학식 4 및 수학식 5와 같이 나타내어진다.
Figure 112008085874464-PAT00004
Figure 112008085874464-PAT00005
상기 수학식 4 및 수학식 5를 상기 수학식 3에 대입하고, 점정합법(point matching method)을 적용하면, 전체 전계(Et)의 전개계수(en)을 구할 수 있다.
그리고, 전체 전계(Et)의 전개계수(en)로부터 산란전계(Es)를 모멘트법으로 계산할 수 있고, 이산화된 표현식은 다음의 수학식 6과 같다.
Figure 112008085874464-PAT00006
상기 수학식 6에서, 각각의 입사각(θ=θℓ, ℓ=1, 2, ..... , L)에 대하여 수신점(Φ=Φm, m=1, 2, ..... , M)에서 측정한 산란전계(Es)를 측정값 (
Figure 112008085874464-PAT00007
)로 대치하면, 다음의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008085874464-PAT00008
상기 수학식 7로부터 cn을 구하면, 산란체(유방조직)의 전기적인 특성을 나타내는 유전율의 분포(c(ρ'))를 추정할 수 있으며, 상기 수학식 7은 다음의 수학식 8과 같은 대수방정식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112008085874464-PAT00009
그리고, 상기 수학식 8의 대수방정식을 만족하는 {c}를 구하는 것이 가능하다. 여기에서의 문제는 결국 다음의 수학식 9와 같이 나타내어지는 {c}를 구하는 최적화의 문제로 귀착된다.
Figure 112008085874464-PAT00010
상기 수학식 7을 송신점인 입사각(θ=θℓ, ℓ=1, 2, ..... , L) 및 수신점(Φ=Φm, m=1, 2, ..... , M)의 정보로 나타내면 다음의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008085874464-PAT00011
상기 수학식 10에 있어서, 계수행렬(Anm ℓ)은 다음의 수학식 11과 같이 나타내어지고, 산란전계의 식은 다음의 수학식 12와 같이 나타내어진다.
Figure 112008085874464-PAT00012
Figure 112008085874464-PAT00013
실제 진단시에는
Figure 112008085874464-PAT00014
을 측정하여 측정값을 적용하지만, 여기에서는 측정값을 대신하여 상기 수학식 1로부터 계산되는 산란전계의 이론값을 사용하는 것으로 예를 들어 설명한다.
그리고 계수행렬의 식인 수학식 11 및 산란전계의 식인 수학식 12를 계산하기 위하여 수학식 3의 전체 전계를 구하여야 하며, 전체 전계에 관한 적분방정식 수학식 3을 모멘트법으로 해석한다.
먼저 전체 전계(Et) 및 유전율 함수(c)를 기지의 함수를 사용하여 상기 수학식 4 및 수학식 5와 같이 전개한다. 여기에서 전개함수는 다음의 수학식 13과 같다.
Figure 112008085874464-PAT00015
웨이팅(Weighting) 함수로 δ함수를 적용하면, 전체 전계에 대한 적분방정식 상기 수학식 3은 다음의 수학식 14와 같은 대수방정식으로 귀착된다.
Figure 112008085874464-PAT00016
상기 수학식 14를 다시 쓰면, 다음의 수학식 15와 같이 나타내어진다.
Figure 112008085874464-PAT00017
상기 수학식 15에 있어서, Znn 및 Ein ℓ는 각각 다음의 수학식 16 및 수학식 17과 같이 나타내어진다.
Figure 112008085874464-PAT00018
Figure 112008085874464-PAT00019
상기 수학식 16에 있어서, G(ρn,ρ')는 다음의 수학식 18과 같이 나타내어진다.
Figure 112008085874464-PAT00020
상기 수학식 18에 있어서,
Figure 112008085874464-PAT00021
는 다음의 수학식 19와 같이 나타내어진다.
Figure 112008085874464-PAT00022
상기 수학식 15에 상기 수학식 16 내지 수학식 19를 각각 대입하여 계산하면, 산란전계 및 계수행렬로부터 다음의 수학식 20과 같은 최적화 방정식이 얻어진다.
Figure 112008085874464-PAT00023
상기 수학식 20을 만족하는 유전율(cn)을 구하는 것이 가능하다.
상기와 같은 과정을 거쳐 얻어진 각 지점에 대한 유전율(cn)을 3차원 좌표에 나타내면 도 7과 같은 이미지가 얻어진다.
그리고 도 7에 나타낸 이미지를 복원하여 도 8과 같이 영상화하는 것이 가능하고, 도 8에 있어서 중앙에 높이 돌출되어 있는 부분이 다른 부위보다 유전율이 매우 큰 것으로 보아 암조직으로 추정하는 것이 가능하다.
상기와 같은 과정을 거치면, 본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단장치 및 진단방법으로 암조직의 상대 유전율과 위치를 정확하게 탐지하는 것이 가능하다.
또한 본 발명의 실시예에 있어서는 후리에 변환을 행하지 않으므로, 빠른 계산으로 유방조직에서 암조직의 존재유무를 확인하는 것이 가능하다.
상기에서는 본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단장치 및 진단방법의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
도 1은 본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단장치의 일실시예를 개념적으로 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단장치의 일실시예에 있어서 안테나 16개를 등각도로 검사대에 설치한 상태를 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 유방조직에 대하여 50MHz∼5GHz의 주파수에 유전율 및 도전율을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단방법의 일실시예를 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단방법의 일실시예의 프로세스를 나타내는 블럭도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단장치의 일실시예에 있어서 측정점의 입사각과 수신점의 산란전계를 개념적으로 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 전자파를 이용한 유방암 진단방법의 일실시예를 이용하여 계산한 유전율의 분포를 나타내는 3차원 이미지이다.
도 8은 도 7에 나타낸 이미지를 복원하여 영상화한 상태를 나타내는 3차원 이미지이다.

Claims (4)

  1. 유방을 삽입할 수 있도록 원형 단면의 공간이 내부에 형성되는 검사대와,
    상기 검사대에 등각도로 배열되어 설치되는 복수의 안테나와,
    상기 안테나와 연결되어 각 안테나를 순차적으로 송신용으로 사용하면서 나머지 안테나를 수신용을 사용하여 얻어진 테이터를 모멘트법으로 처리하여 유방암 존재여부를 진단하는 중앙처리부를 포함하는 전자파를 이용한 유방암 진단장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나는 상기 검사대를 등각도로 16등분하여 16개를 설치하는 전자파를 이용한 유방암 진단장치.
  3. 복수의 안테나가 등각도로 배열되어 설치된 검사대에 검사하고자 하는 유방을 삽입하고,
    복수의 안테나와 연결된 중앙처리부에서 각 안테나를 순차적으로 송신용으로 사용하여 전자파를 송신하면서 나머지 안테나를 통하여 수신되는 산란파 데이터를 수집하고,
    상기 중앙처리부에서는 수집되는 데이터를 모멘트법(moment method)과 심플렉스법(simplex method)을 이용하여 처리하고 그 결과를 영상화하여 나타내는 과정을 포함하는 전자파를 이용한 유방암 진단방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 중앙처리부는 수집된 데이터를 처리하는 과정에서 포워드문제는 모멘트법을 사용하여 해결하고, 역산란문제는 심플렉스법을 사용하여 해결하는 전자파를 이용한 유방암 진단방법.
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