KR20150045659A - 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템 및 방법 - Google Patents

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정슬기
박세형
이상혁
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전북대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 Time-Of-Flight MRA를 통해 혈관의 신호강도-직경 비를 유도하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템은 피검자의 혈관단면영상을 획득하는 단계, 획득한 혈관단면영상을 입력받아 관심 혈관의 신호강도를 추출하는 단계, 관심 혈관의 신호강도를 정규화시키는 단계, 관심 혈관의 혈관 직경을 산출하는 단계, 관심 혈관의 정규화된 신호강도와 혈관 직경을 통해 관심 혈관의 정규화된 신호강도-직경 정보를 산출하는 단계를 포함한다.

Description

혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템 및 방법{System and method for derivation of arterial signal intensity to diameter ratio}
본 발명은 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 Time-Of-Flight MRA를 통해 혈관의 신호강도-직경 비를 유도하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템 및 방법에 관한 것이다.
TOF-MRA(Time-Of-Flight - Magnetic Resonance Angiography)는 뛰어난 영상해상도로 피검자 개개인의 다양한 혈관 구조를 상세히 제시할 수 있어 현재 의료분야에서 가장 많이 활용되는 혈관 영상 기법이다. 관련기술이 계속 발달하여 와류와 같은 복합혈류현상도 진단할 수 있고, 최근에는 미세혈관 영상도 얻을 수 있는 등 그 발전속도가 빠르다. 또한, 특정부위의 혈관 협착이나 동맥류 형성 여부를 살피는데 비침습적으로 사용할 수 있는 유일한 혈관촬영술로서, 임상현장에서 그 사용이 계속 증가하는 추세이다.
TOF-MRA는, 자장에 완전 포화(saturation)된 영역에 포화되지 않은 혈액이 통과하면서 나타나는 혈류 흐름에 의한 증강효과를 영상화한 것으로, 이러한 증강효과를 최대한 효과적으로 촬영하여 혈관벽 주변 영상이 잘 보이도록 한다.
짧은 시간 내에 촬영하는 것이 중요하며, 이를 위해 repetition time(TR), echo time(TE), flip angle 등을 조절하고, 아울러 MOTSA(Multiple Overlaping Thin 3D Slab Acquisition)나 SLINKY(A sliding interleaved ky) sequence 등을 사용한다.
이렇게 얻은 영상에서는 혈관 전 영역에 걸쳐 균일한 신호강도가 추출되고, 이를 MIP(maximum intensity projection)시켜 3차원 혈관영상을 사용자에 제공한다.
그러나, TOF-MRA의 혈관 단면 영상에는 TOF-MRA의 촬영원리인 혈류에 의한 증강효과가 담겨져 있어 이를 적절히 활용하여 3차원 혈관영상과는 별개로 혈류역학에 관한 임상정보를 얻을 수 있으므로 이와 관련된 기술의 개발이 요구되고 있다.
한국등록특허공보 제0335781호(출원일 : 1999.08.06)
본 발명의 목적은 TOF-MRA의 이미지 특성을 통해 개개인의 특성에 따른 혈류역학 정보를 얻어 혈관질환 진단에 활용될 수 있는 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 피검자의 혈관단면영상을 획득하는 단계, 획득한 혈관단면영상을 입력받아 관심 혈관의 신호강도를 추출하는 단계, 관심 혈관의 신호강도를 정규화시키는 단계, 관심 혈관의 혈관 직경을 산출하는 단계, 관심 혈관의 정규화된 신호강도와 혈관 직경을 통해 관심 혈관의 정규화된 신호강도-직경 정보를 산출하는 단계를 포함하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 방법을 제공할 수 있다.
신호강도 추출 단계에서 추출되는 신호강도(Signal Intensity)는,
SI = ρ0·(1-e- TR / T1)·e- TE / T2
여기서, TR은 반복시간, TE는 반향시간, T1은 조직의 종축 이완시간, T2는 조직의 횡축 이완시간, ρ는 스핀밀도이다.
다음으로, 정규화 단계에서 정규화된 신호강도는 [{(관심 혈관 경계영역 내 신호강도의 기존값) - (전체 혈관단면영상 신호강도의 평균값)} / 전체 혈관단면영상 신호강도의 표준편차]로 산출되며, 신호강도의 정규화는 각 화소별로 이루어진다.
다음으로, 혈관 직경 산출 단계에서 혈관 직경(arterial diameter)은 혈관 직경 = [4 × (상기 관심 혈관의 단면적) / π]0.5로 산출되고, 최종적으로 정규화된 신호강도-직경 정보 산출 단계에서 정규화된 신호강도-직경 비가 [(관심 혈관의 정규화된 신호 강도) / (혈관 직경)]으로 산출된다.
본 발명의 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템 및 방법에 따르면, 관심 혈관에서의 정규화된 신호강도-직경 비가 혈관 내 혈류의 전단율 특성을 대변하는 인자로 활용되어 혈관질환 진단 및 치료에 응용할 수 있다.
도 1은 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템을 나타내는 구성도;
도 2는 혈관 신호강도-직경 비 유도 방법을 나타내는 흐름도; 및
도 3은 TOF-MRA를 이용한 경동맥 단면 영상의 의사-컬러링 전후를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템은 혈관단면영상 획득부(110), 의사-컬러링부(120), 정규화부(130), 혈관직경 산출부(140), 신호강도-직경 비 산출부(150)를 포함한다.
혈관단면영상 획득부(110)는 TOF-MRA를 통해 피검자의 혈관단면영상을 획득한다.
TOF-MRA(Time-Of-Flight Magnetic Resonance Angiography)란 유속이 있는 혈액의 신호는 강하게, 정지되어 있는 혈액의 신호는 약하게 나타나게 하여 각 단면에서 혈관의 영상만 추출해 내고 이렇게 각 단면에서 얻어진 혈관 영상을 결합하여 2차원 또는 3차원적으로 재구성함으로써 조영제를 사용하지 않으면서도 혈관영상을 얻을 수 있는 자기공명 혈관조영술이다.
이 중 움직이는 혈류와 정지된 주위 조직간의 포화정도의 차이를 이용하는 TOF-MRA기법을 통해 혈관단면영상을 획득한다.
의사-컬러링부(120)는 TOF-MRA를 통해 획득한 혈관단면영상을 입력받아 이 혈관단면영상의 전체 또는 일부 영역을 선택해 관심 혈관의 경계영역을 검출한 후, 경계영역 내의 영상에 대해 의사-컬러링(pseudo-coloring)을 한다. 이러한 컬러 시각화를 통해 경계영역 내 영상의 중심부와 주변부의 신호강도에 차이가 있음을 알 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시한 바와 같이, gray scale로 된 혈관의 경계영역 내의 영상에 의사-컬러링을 하면 혈관의 중심부는 주변부보다 신호강도가 세고(밝고), 주변부는 중심부보다 약한(어두운) 특징을 나타내는 것을 볼 수 있는데 이를 통해 혈류속도가 빠른 중심부 영역은 주변부보다 신호강도가 세고, 혈류속도가 느린 주변부 영역은 중심부보다 신호강도가 약하다는 것을 알 수 있다.
정규화부(130)는 의사-컬러링된 관심 혈관의 영상을 입력받아 신호강도를 추출한 후 이 신호강도를 정규화(normalization)하여 정규화된 신호강도(normalized signal intensity)를 획득한다.
예를 들어, spin echo MR에서의 화소의 신호강도(Signal intensity:SI)는 [수학식 1]과 같이, 반복시간(TR), 반향시간(TE), 조직의 종축 이완시간(T1), 조직의 횡축 이완시간(T2), 스핀밀도 ρ등의 영향을 받는다.
Figure pat00001
속도를 가지고 흐르는 혈액의 경우의 신호강도는 혈류에 의한 신호강도 변화율(F(v))을 추가한 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다. 여기서, v는 혈액의 유속을 나타내며 F(v)는 흐림시간 효과와 위상이동 효과를 모두 포함한다.
Figure pat00002
이렇듯, TOF-MRA의 신호강도를 결정하는 혈류유입 증강효과(in-flow enhancement effect)는 여러 조건에 영향을 받기 때문에 본 발명에서는 TOF-MRA의 신호강도를 정규화하여 신호강도에 따라 개인별 특성을 나타낼 수 있도록 하였다.
즉, 정규화를 함으로써 TOF-MRA의 영상에 나타날 수 있는 관심 혈관을 제외한 잡음 등의 요인이 보정되도록 한다.
관심 혈관에서의 신호강도의 정규화(normalization)는 TOF-MRA를 통해 얻은 전체 혈관단면영상 신호강도의 평균값과 표준편차를 활용하여 각 화소별로 이루어진다.
즉, 정규화된 신호강도는 [{(관심 혈관 경계영역 내 신호강도의 기존값) - (전체 혈관단면영상 신호강도의 평균값)} / 전체 혈관단면영상 신호강도의 표준편차]로 산출된다.
혈관 직경 산출부(140)에서는 관심 혈관에서의 단면적(arterial cross-sectional area)으로부터 혈관 직경(arterial diameter)을 [수학식 3]과 같이 산출한다.
Figure pat00003
신호강도-직경 비 산출부(150)에서는 최종적으로 정규화부(130)와 혈관 직경 산출부(140)에서 각각 산출된 관심 혈관의 신호강도와 혈관 직경을 통해 관심 혈관의 신호강도-직경 비를 산출한다.
즉, 혈관 신호강도-직경 비(normalized arterial signal intensity to diameter ratio)는 [(혈관의 정규화된 신호 강도) / (혈관 직경)]으로 산출된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 혈관 신호강도-직경 비 유도 방법은 피검자의 혈관단면영상을 획득하는 단계(S110), 획득한 혈관단면영상을 입력받아 관심 혈관의 신호강도를 추출하는 단계(S120), 관심 혈관의 신호강도를 정규화시키는 단계(S130), 관심 혈관의 혈관 직경을 산출하는 단계(S140), 관심 혈관의 정규화된 신호강도와 상기 혈관 직경을 통해 관심 혈관의 신호강도-직경 정보를 산출하는 단계(S150)를 포함한다.
획득 단계(S110)는 TOF-MRA(Time-Of-Flight Magnetic Resonance Angiography)를 통해 피검자의 혈관단면영상을 획득하는 것을 특징으로 하며, 여기서 획득한 혈관단면영상에서 관심 혈관의 경계영역을 검출하고, 경계 영역 내의 영상에 대해 의사-컬러링(pseudo-coloring)을 한다.
신호강도 정규화 단계(S130)는 의사-컬러링된 관심 혈관의 영상을 입력받아 신호강도를 추출한 후 이 신호강도를 정규화(normalization)하여 정규화된 신호강도(normalized signal intensity)를 획득한다.
예를 들어, spin echo MR에서의 화소의 신호강도(Signal intensity:SI)는 상술한 [수학식 1]과 같이, 반복시간(TR), 반향시간(TE), 조직의 종축 이완시간(T1), 조직의 횡축 이완시간(T2), 스핀밀도 ρ 등의 영향을 받는다.
그리고, 속도를 가지고 흐르는 혈액의 경우의 신호강도는 혈류에 의한 신호강도 변화율(F(v))을 추가한 상술한 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다. 여기서, v는 혈액의 유속을 나타내며 F(v)는 흐림시간 효과와 위상이동 효과를 모두 포함한다.
이렇듯, TOF-MRA의 신호강도를 결정하는 혈류유입 증강효과(in-flow enhancement effect)는 여러 조건에 영향을 받기 때문에 본 발명에서는 TOF-MRA의 신호강도를 정규화하여 신호강도에 따라 개인별 특성을 나타낼 수 있도록 하였다.
즉, 정규화를 함으로써 TOF-MRA의 영상에 나타날 수 있는 관심 혈관을 제외한 잡음 등의 요인이 보정되도록 한다.
관심 혈관에서의 신호강도의 정규화(normalization)는 TOF-MRA를 통해 얻은 전체 혈관단면영상 신호강도의 평균값과 표준편차를 활용하여 각 화소별로 이루어진다.
즉, 정규화된 신호강도는 [{(관심 혈관 경계영역 내 신호강도의 기존값) - (전체 혈관단면영상 신호강도의 평균값)} / 전체 혈관단면영상 신호강도의 표준편차]로 산출된다.
혈관 직경 산출 단계(S140)는 관심 혈관에서의 단면적(arterial cross-sectional area)으로부터 혈관 직경(arterial diameter)을 상술한 [수학식 3]과 같이 산출하고, 신호강도-직경 정보 산출 단계(S150)는 신호강도 정규화 단계(S130)와 혈관 직경 산출 단계(S140)에서 각각 산출된 관심 혈관의 신호강도와 혈관 직경을 통해 관심 혈관의 신호강도-직경 비를 산출한다.
즉, 혈관 신호강도-직경 비(normalized arterial signal intensity to diameter ratio)는 [(혈관의 정규화된 신호 강도) / (혈관 직경)]으로 산출된다.
상술한 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템 및 방법에 따르면, 관심 혈관에서의 정규화된 신호강도-직경 비가 혈관 내 혈류의 전단율(shear rate) 특성을 대변하는 인자로 활용되어 혈관질환 진단 및 치료에 응용할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조로 본 발명의 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템 및 방법에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 수정, 변경 및 다양한 변형실시예가 가능함은 당업자에게 명백하다.
110 : 혈관단면영상 획득부
120 : 의사-컬러링부
130 : 정규화부
140 : 혈관 직경 산출부
150 : 신호강도-직경 비 산출부

Claims (14)

  1. TOF-MRA(Time-Of-Flight Magnetic Resonance Angiography)를 통해 피검자의 혈관단면영상을 획득하는 혈관단면영상 획득부;
    상기 획득한 혈관단면영상을 입력받아 관심 혈관의 경계영역을 검출하고, 경계영역 내의 영상에 대해 의사-컬러링(pseudo-coloring)하는 의사-컬러링부;
    상기 의사-컬러링된 관심 혈관의 영상에서 신호강도를 추출하고 신호강도를 정규화시키는 정규화부;
    상기 관심 혈관의 혈관 직경을 산출하는 혈관 직경 산출부;
    상기 관심 혈관의 정규화된 신호강도와 상기 혈관 직경을 통해 관심 혈관의 정규화된 신호강도-직경 비를 산출하는 신호강도-직경 비 산출부를 포함하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 의사-컬러링부는,
    상기 입력받은 혈관단면영상의 전체 또는 일부 영역 중 어느 하나를 선택해 관심 혈관의 경계영역 내의 영상에 대해 의사-컬러링하는 것을 특징으로 하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 신호강도(Signal Intensity)는,
    SI = ρ0·(1-e- TR / T1)·e- TE / T2
    여기서, TR은 반복시간, TE는 반향시간, T1은 조직의 종축 이완시간, T2는 조직의 횡축 이완시간, ρ는 스핀밀도인 것을 특징으로 하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 정규화된 신호강도는,
    [{(상기 관심 혈관 경계영역 내 신호강도의 기존값) - (전체 혈관단면영상 신호강도의 평균값)} / 전체 혈관단면영상 신호강도의 표준편차]로 산출되며, 신호강도의 정규화는 각 화소별로 이루어지는 것을 특징으로 하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 혈관 직경(arterial diameter)은,
    혈관 직경 = [4×(상기 관심 혈관의 단면적)/π]0.5
    여기서, 혈관 직경은 상기 관심 혈관의 단면적으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 정규화된 신호강도-직경 비는,
    [(상기 관심 혈관의 정규화된 신호 강도) / (상기 혈관 직경)]으로 산출되는 것을 특징으로 하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 시스템.
  7. 피검자의 혈관단면영상을 획득하는 단계;
    상기 획득한 혈관단면영상을 입력받아 관심 혈관의 신호강도를 추출하는 단계;
    상기 관심 혈관의 신호강도를 정규화시키는 단계;
    상기 관심 혈관의 혈관 직경을 산출하는 단계; 및
    상기 관심 혈관의 정규화된 신호강도와 상기 혈관 직경을 통해 관심 혈관의 정규화된 신호강도-직경 정보를 산출하는 단계;를 포함하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 정규화된 신호강도-직경 정보 산출 단계는,
    상기 관심 혈관의 신호강도-직경 비를 산출하는 것을 특징으로 하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 획득한 혈관단면영상을 입력받아 관심 혈관의 경계영역을 검출하고, 경계 영역 내의 영상에 대해 의사-컬러링(pseudo-coloring)하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 정규화시키는 단계는,
    의사-컬러링된 관심 혈관의 신호강도를 정규화시키는 것을 특징으로 하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 획득 단계는,
    TOF-MRA(Time-Of-Flight Magnetic Resonance Angiography)를 통해 피검자의 혈관단면영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    신호강도(Signal Intensity)는,
    SI = ρ0·(1-e- TR / T1)·e- TE / T2
    여기서, TR은 반복시간, TE는 반향시간, T1은 조직의 종축 이완시간, T2는 조직의 횡축 이완시간, ρ는 스핀밀도인 것을 특징으로 하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 방법.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 정규화된 신호강도는,
    [{(상기 관심 혈관 경계영역 내 신호강도의 기존값) - (전체 혈관단면영상 신호강도의 평균값)} / 전체 혈관단면영상 신호강도의 표준편차]로 산출되며, 신호강도의 정규화는 각 화소별로 이루어지는 것을 특징으로 하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 방법.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 혈관 직경(arterial diameter)은,
    혈관 직경 = [4×(상기 관심 혈관의 단면적)/π]0.5
    여기서, 혈관 직경은 상기 관심 혈관의 단면적으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 방법.
  14. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 정규화된 신호강도-직경 비는,
    [(상기 관심 혈관의 정규화된 신호 강도) / (상기 혈관 직경)]으로 산출되는 것을 특징으로 하는 혈관 신호강도-직경 비 유도 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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