KR20210060963A - 광단층 영상을 이용한 혈액 모니터링 시스템 및 혈액 모니터링 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템에 관한 것이다. 상기 혈액 모니터링 시스템의 혈액 모니터링 장치는, 제공하는 광단층 영상 촬영 장치로부터 단위 시간당 복수 개의 광단층 영상들(OCT Images)을 입력받고, 상기 복수 개의 OCT Images를 이용하여 스펙클의 변화에 따른 스펙클 분산 광단층 영상(SvOCT image)을 생성하고, 상기 SvOCT 영상을 이용하여, 혈액의 상태를 판단하여 제공한다. 상기 SvOCT 영상은, 상기 복수 개의 광단층 영상들의 각 픽셀에 대하여 OCT 신호 강도에 대한 스펙클 분산값(SV)을 구하고, 상기 각 픽셀에 대한 스펙클 분산값들을 이용하여 스펙클 분산 광단층 영상(SvOCT image)을 생성하게 된다. 상기 혈액 모니터링 시스템은 광단층 영상으로부터 SvOCT 영상을 생성하고, 이를 통해 혈액의 응고 상태를 실시간으로 수량화하여 제공할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 혈관 내 혈액 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 혈관에 대한 광단층 영상들로부터 스펙클의 변화를 추출하고, 추출된 스펙클의 변화량을 분석하여 혈관 내 혈액의 응고 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템 및 혈액 응고 모니터링 방법에 관한 것이다.
일반적으로 혈액 응고 검사로는 크게 선천성(즉, 유전성)인 경우와 후천성인 경우로 나뉜다. 유전성 혈전증은 항트롬빈, C 단백 및 S 단백 검사를 실시한다. 한편, 후천성 혈전증은 여러 질환들, 예컨대 만성 파종 혈관내응고, 악성 종양, 신부전증, 발작야간혈색뇨증, 전신홍반루푸스, 진성적혈구증다증, 진성고혈소판증 등에 동반되어 발생되므로, 관련된 질환과 유발 인자를 고려하여, 항인지질항체증후군의 진단을 위해 항카디오리핀항체와 루푸스항응고인자 검사를, 과호모시스테인혈증 진단을 위해서 호모시스테인 검사를 시행하게 된다.
혈관 이미징 모델로는 크게 3개로 분류되는데, 비광학적 방법, 광학적 방법, 융합 방법이다. 먼저, 비광학적 방법은 X-ray, magnetic, 초음파, 및 position emission imaging 기술로서, CT와 MRI는 고가이고 부피가 크고 조영제를 사용해 고해상도의 구조적, 기능적 혈관 이미징이 가능하므로 임상에서 선호된다. 초음파는 임상에서는 가능하나 낮은 해상도와 기능적 정보 부족으로 인해 미세 혈관 이미징에는 적용이 어렵다. 상기 광학적 방법은 Optical coherence, fluorescence, multiphoton, Laser speckle imaging 기술들로서, Orthogonal polarization spectral imaging(OPSI)는 전체 헤모글로빈 농도만 분석할 수 있지만 헤모글로빈 산소포화도의 측정은 어렵다. 그리고, 융합 방법은 Photoacoustic Imaging 기술로서, PAT는 미세 혈관 이미징에 사용될 가능성이 많으나, 임상적으로 사용되기 위해서는 크기를 줄여 손으로 잡을 수 있는 시스템과 외부 조여y의 필요 또는 효가적인 이미징 기술의 향상이 필요하다.
한편, 혈액 검사 방법 중 실시간 영상 기술을 활용하여 확인하지 않는 방법(Blind Procedure)은 혈액 응고 시술과 관련된 손상 또는 이상위치(malposition)의 위험을 증가시키고 이에 따른 결과는 환자에게 치명적이다. 초음파를 이용한 혈액 검사 방법은, 초음파가 공기로 전달이 잘 안되므로 전달자가 필요하며, 뼈와 공기층이 만나는 연조직과 같이 큰 음향 임피던스 불일치는 음파가 반사되는 주요 원인이 되며, 더 깊은 조직에 음파 침투를 감소시켜서 이미지 잡음을 만들게 된다. 한편, Confocal microscope는 관찰을 위해 시료에 형광 물질을 투여해야만 하고 시간이 지나면 발광이 사라져 지속적인 관찰이 어려운 문제점이 있다. 혈관 검사 방법 중 정맥 조영법은 이미징이 잘 안되는 골반 정맥과 IVC를 이미지화할 수 있는데, 숙달되지 어렵고 시간이 걸리며, 발 정맥 배관 삽입이 필요하며 상대적으로 비용이 많이 든다. 한편, CT는 폐색전증에 널리 사용되는데, 초음파 검사만큼 정확하지만 전리방사선에 노출되는 단점이 있다. MRI는 전리방사선을 피할 수 있고 정맥 분사 및 조영제 주입이 필요없는 장점이 있기는 하나, 검사 비용이 매우 비싸고 일부 금속성 이식물 또는 폐쇄 공포증 환자는 스캔할 수 없는 단점이 있다.
혈액 응고를 진단하기 위한 검사로는 일반적인 트롬빈 형성과 관련있는 응고 요인의 정보를 제공하는 외부 경로를 스크리닝하는 Prothrombin Time(PT)과 내부 경로를 스크리닝하는 Activated Partial Thromboplastin Time(APTT)가 혈장으로 수행된다. 그러나, 이러한 혈장 테스트는 생리학적 현상, 즉 적혈구의 효과를 정확하게 제공하지는 못한다.
일반적인 응고 과정에서 손상된 혈관벽은 혈소판과 피브린이 있는 혈전에 의해 덮이고 지혈이 되며 손상된 혈관이 회복된다. 그러나, 몇몇 환경에서는 혈액 응고 장애가 증가하는 출혈, 색전증과 가장 치명적인 순환기 시스템에 혈전증과 같은 문제를 만든다. 응고 과정에 대한 더 나은 이해와 혈액 활성, 혈전 형성의 조기 발견은 혈전증 치료와 예방에 필수적이다.
한편, 비침습적 광학 모델인 OCT(Optical Coherence Tomography) 기술은 마이크로미터 수준의 해상도와 적절한 이미징 깊이, 빠른 속도와 높은 감도 때문에 생의학 이미징 영역에서 주의를 끌고 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광단층 영상을 이용하여 비침습 방식으로 혈관내의 혈액의 응고 등의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있도록 하는 혈액 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광단층 영상을 이용하여 실시간으로 혈관 내 혈액의 상태를 모니터링하는 방법을 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템은, 광단층 영상들(OCT Images)을 촬상하여 제공하는 광단층 영상 촬영 장치; 및 상기 광단층 영상 촬영 장치로부터 단위 시간당 복수 개의 광단층 영상들을 입력받고, 상기 광단층 영상들로부터 스펙클의 변화를 검출하고, 스펙클의 변화량을 분석하여 혈액의 상태를 판단하여 제공하는 혈액 모니터링 장치;를 구비하여, 혈관 외부에서 혈액의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있도록 한다.
전술한 특징에 따른 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 상기 혈액 모니터링 장치는, 상기 광단층 영상 촬영 장치로부터 단위 시간당 사전 설정된 복수 개의 광단층 영상들(OCT Images)을 입력받는 OCT 영상 입력 모듈; 상기 복수 개의 OCT Images를 이용하여 스펙클의 변화에 따른 스펙클 분산 광단층 영상(SvOCT image)을 생성하는 SvOCT 영상 생성 모듈; 및 상기 SvOCT 영상 생성 모듈에 의해 생성된 SvOCT 영상을 이용하여, 혈액의 상태를 판단하여 제공하는 혈액 상태 모니터링 모듈;을 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 상기 SvOCT 영상 생성 모듈은, 상기 복수 개의 광단층 영상들의 각 픽셀에 대하여 OCT 신호 강도에 대한 스펙클 분산값(SV)을 구하고, 상기 각 픽셀에 대한 스펙클 분산값들을 이용하여 스펙클 분산 광단층 영상(SvOCT image)을 생성하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 임의의 픽셀 위치(j,k)에서의 OCT 신호 강도에 대한 상기 스펙클 분산값(
)은 아래의 수학식으로 구해지며,
여기서, N은 스펙클 변화 측정에 사용된 광단층 영상들의 개수이며, 
는 i 번째 광단층 영상에서 픽셀(j,k)의 OCT 신호 강도이며, 
은 같은 지점에서의 일시적인 OCT 신호의 평균값이다.
전술한 특징에 따른 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 상기 혈액 상태 모니터링 모듈은, SvOCT 영상의 각 픽셀에 대한 스펙클 변화값에 따라 혈액이 액체 상태, 겔 상태 및 고체 상태 중의 하나인 것으로 판단하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 상기 혈액 모니터링 장치는, 상기 SvOCT 영상에 있어서 관심 영역(ROI)을 설정하도록 구성된 관심 영역 설정 모듈;을 더 구비하고, 상기 혈액 상태 모니터링 모듈은 SvOCT 영상에서 상기 관심 영역 설정 모듈에 의해 설정된 관심 영역에 대해서만 스펙클 변화량을 분석하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 혈액 모니터링 시스템은 광단층 영상을 이용하여 혈액 상태를 모니터링함으로써, 비침습적 광 간섭 신호를 받아 실시간 영상화가 가능하므로, 혈액 응고에 대한 모니터링이 가능할 뿐만 아니라 실시간으로 모니터링이 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 혈액 모니터링 시스템은 혈관 내부의 물체 또는 병소 등의 위치를 고해상도로 평가할 수 있으며, 혈액이 응고되는 상태를 수량적으로 파악하여 제공할 수 있기 때문에 정확성이 우수하다.
또한, 본 발명에 따른 혈액 모니터링 시스템은, 기존의 혈관 검사 방법과는 달리, OCT는 실시간이며 비침습적인 이미징이 가능할 뿐만 아니라 상대적으로 간단하면서도 정확한 측정이 가능하기 때문에 In-Vivo 이미징이 가능한 잠재력을 갖고 있다. 또한, 본 발명에 따른 혈액 모니터링 시스템은, 외부 자극이 생체 조직에 가해질 때 발생되는 스펙클 패턴 변화가 SvOCT 이미지에서 관찰될 수 있다는 사실에 O기초함으로써, 이러한 스펙클 패턴 변화는 OCT 영상으로부터 발견 가능하고, 혈액 변성 상태를 수량화하기 위하여 정량적으로 분석될 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 혈액 모니터링 시스템은에 사용되는 OCT 장비는 초음파나 다른 영상 장비들의 단점을 극복할 수 있는 새로운 실시간 영상 장비로서, 기존에 시도되었던 것들을 대체할 수 있는 가능성이 매우 높다. 본 발명에 따른 스펙클 변화를 활용한 광단층 영상(SvOCT)은 체외에서 몸속에 위치한 혈관 내부의 혈액의 상태를 확인할 수 있으며, 관심 영역(ROI)을 설정해서 여러 방법을 이용한 정량적인 분석을 하게 되면 혈액 응고의 상태를 분석하고 실시간으로 촬영하여 영상으로 보여줄 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 혈액 모니터링 시스템은 스펙클 변화를 활용한 광단층 영상(SvOCT)을 활용하여 혈관 내 혈액 응고를 실시간 모니터링하고 응고 상태를 정량화할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 스펙클 변화를 이용한 광단층 영상은 조영제 없이 특정 깊이의 혈관에서 미소 혈관계를 매핑하는 새로운 마이크로 수준의 혈관 촬영 기술로 관심을 받고 있다. 원칙적으로 생물 조직에서 움직이는 분자에 의해 유도되는 시간에 따른 스펙클 패턴의 변화는 프레임 혹은 선들 사이에 스펙클 변화를 측정함으로써 정량적으로 얻을 수 있게 된다. 따라서, OCT 영상에서의 스펙클 변화 정도 및 스펙클 변화 패턴을 파악함으로써, 액체 상태에서 고체 상태로 변화되는 생체내 물리적 변화를 감지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 시스템은 기존에 널리 사용되고 있는 MRI, 초음파, CT 영상들의 단점을 극복할 수 있는 고해상도 실시간 영상 장비인 OCT 장비를 사용함으로써, 스펙클 변화를 이용한 광 단층 영상을 활용한 혈관 내 혈액 응고를 실시간 위치 추적을 할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스펙클 변화 기반의 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템을 전체적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 광단층 영상 촬영 장치(10)의 일 실시 형태를 도시한 시스템 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 혈액 모니터링 장치(20)에 의해 스펙클 변화 이미지를 획득한 후 필요한 관심 영역만을 설정해서 분석하는 이미지를 예시적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, (a)는 일반 상태의 마우스 혈관 내부를 촬영한 2차원 OCT 영상들이며, (b)는 (a)의 각 시간들에 대하여 획득한 SvOCT 영상들이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, (a)는 FeCl3가 5% 희석된 약물 처리를 통해 혈액 응고된 상태의 마우스 혈관 내부를 촬영한 2차원 OCT 영상들이며, (b)는 (a)의 각 시간들에 대하여 획득한 SvOCT 영상들이다.
도 6은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 도 4 및 도 5의 각각에 따라 일반 상태(0%)와 증류수에 희석한 FeCl3 5% 희석 약물을 처리한 상태(5%)를 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 돼지피를 공기중에 노출시에 굳는 정도를 측정한 OCT 영상, OCT 영상에 대한 평균값들을 표시한 평균값 OCT 영상, 및 SvOCT 영상들이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 도 7의 SvOCT 영상데이터에서 인접 픽셀별 교차 상관값들을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 광단층 영상 촬영 장치(10)의 일 실시 형태를 도시한 시스템 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 혈액 모니터링 장치(20)에 의해 스펙클 변화 이미지를 획득한 후 필요한 관심 영역만을 설정해서 분석하는 이미지를 예시적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, (a)는 일반 상태의 마우스 혈관 내부를 촬영한 2차원 OCT 영상들이며, (b)는 (a)의 각 시간들에 대하여 획득한 SvOCT 영상들이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, (a)는 FeCl3가 5% 희석된 약물 처리를 통해 혈액 응고된 상태의 마우스 혈관 내부를 촬영한 2차원 OCT 영상들이며, (b)는 (a)의 각 시간들에 대하여 획득한 SvOCT 영상들이다.
도 6은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 도 4 및 도 5의 각각에 따라 일반 상태(0%)와 증류수에 희석한 FeCl3 5% 희석 약물을 처리한 상태(5%)를 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 돼지피를 공기중에 노출시에 굳는 정도를 측정한 OCT 영상, OCT 영상에 대한 평균값들을 표시한 평균값 OCT 영상, 및 SvOCT 영상들이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 도 7의 SvOCT 영상데이터에서 인접 픽셀별 교차 상관값들을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스펙클 변화 기반의 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템의 구조 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스펙클 변화 기반의 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템을 전체적으로 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 혈액 모니터링 시스템(1)은 광단층 영상 촬영 장치(10) 및 혈액 모니터링 장치(20)를 구비한다. 상기 광단층 영상 촬영 장치(10)는 광단층 영상을 획득하여 제공하는 장치이며, 상기 혈액 모니터링 장치(20)는 컴퓨터 또는 중앙 처리 유닛(CPU)등과 같은 프로세서를 포함하여 구성되는 제어 장치로 이루어져, 상기 OCT 영상들을 처리하여 혈액 상태를 모니터링하게 된다. 이하, 전술한 각 구성 요소들의 구조 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
상기 광단층 영상 촬영 장치(10)는 광단층 영상들(OCT Images)을 촬상하여 상기 혈액 모니터링 장치로 제공하도록 구성된다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 광단층 영상 촬영 장치(10)의 일 실시 형태를 도시한 시스템 구성도이다. 도 2를 참조하면, 상기 광단층 영상 촬영 장치(10)는 in-house된 swept source OCT 시스템이 사용될 수 있다. 광원으로는 Swept LASER를 사용하는데, 중심 파장이 1060nm이고 전체 폭 sweeping 대역 100nm, 반복률 100kHz 인 swept source가 일예로 사용될 수 있다. 광원으로부터 출력되는 레이저는 간섭계(interferometer)를 통해 75:25의 비율로 섬유 커플러에 의해 묶여 있으며, 레이저의 25%는 대물렌즈에 의해 샘플에 초점에 맞춰지고, 75%의 레이저는 기준단(reference stage)로 제공된다. 편광 컨트롤러는 두 개의 arm의 편광을 맞추기 위해 사용된다.
기준 신호와 측정 신호는 50:50 커플러에 의해 합쳐지고, balanced detector에 의해 감지된다. 상기 합쳐진 신호는 고속 digitizer에 의해 디지털화되고 Frame Grabber에 의해 캡쳐된다. 컴퓨터의 그래픽 조절 유닛과 함께 평행 조절이 고속 푸리에 변환과 배경 노이즈 제거가 고속 이미지 프로세싱에 사용된다. OCT 이미지는 B-SCAN 모드의 영상으로서, X,Z 축을 따라 1024 * 1024 픽셀로 이루어지고 100Hz 프레임율로 디스플레이된다. 샘플을 스캐닝하기 위하여 갈바노 스캐너를 사용하여 OCT 이미지를 획득하게 된다. 갈바노 스캐너의 스캐닝 범위는 300μm이며, 샘플 프루브에서 나간 파워는 2.5 mW이다. 측정된 공간 분해능은 축 6.7μm이며, 측면 8.5μm이며, 깊이는 약 890μm이다. 전술한 구성을 갖는 광단층 영상 촬영 장치는 100개의 B-SCAN OCT 이미지를 같은 스캔 지역에서 약 1초동안 기록할 수 있다.
상기 광단층 영상 촬영 장치는, Time-domain에서 OCT 신호를 획득하는 광단층 영상 촬영 장치 및 Frequency-domain에서 OCT 신호를 획득하는 광단층 영상 촬영 장치 중 하나로 구성되며, 상기 Frequency-domain의 광단층 영상 촬영 장치는 광원이 Swept source로 구성되거나 Spectral domain 방식으로 구성될 수 있다. 상기 혈액 모니터링 장치(20)는 상기 광단층 영상 촬영 장치로부터 제공된 복수 개의 광단층 영상들을 입력받고, 상기 광단층 영상들로부터 스펙클의 변화를 검출하고, 스펙클의 변화량을 분석하여 혈액의 상태를 판단하여 제공하게 된다. 상기 혈액 모니터링 장치(20)는 OCT 영상 입력 모듈(200), SvOCT 영상 생성 모듈(210), 혈액 상태 모니터링 모듈(220) 및 출력 모듈(230)을 구비하여, 혈관 외부에서 혈액의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있도록 한다. 한편, 상기 혈액 모니터링 장치는 관심영역 설정 모듈(240)을 더 구비할 수 있다.
상기 OCT 영상 입력 모듈(200)은, 상기 광단층 영상 촬영 장치로부터 단위 시간당 사전 설정된 복수 개의 광단층 영상들(OCT Images)을 입력받게 된다. 예컨대, 임의의 위치의 혈관에 대한 OCT 영상으로서, 1초동안 200개의 OCT 영상들을 입력받게 된다.
상기 SvOCT 영상 생성 모듈(210)은, 상기 복수 개의 OCT Images를 이용하여 스펙클의 변화에 따른 스펙클 분산 광단층 영상(SvOCT image)을 생성하는 모듈이다. 이하, 상기 SvOCT 영상 생성 모듈의 동작을 보다 구체적으로 설명한다. 상기 SvOCT 영상 생성 모듈은, 상기 복수 개의 광단층 영상들의 각 픽셀에 대하여 OCT 신호 강도에 대한 스펙클 분산값(Speckle Variance; 'SV' )을 구하고, 상기 각 픽셀에 대한 스펙클 분산값들을 이용하여 스펙클 분산 광단층 영상(SvOCT image)을 생성한다. 임의의 픽셀 위치(j,k)에서의 OCT 신호 강도에 대한 상기 스펙클 분산값은 아래의 수학식 1에 의해 구할 수 있다.
여기서, N은 스펙클 변화 측정에 사용된 광단층 영상들의 개수이며, 
는 i 번째 광단층 영상에서 픽셀(j,k)의 OCT 신호 강도이며, 
은 단위 시간당 해당 픽셀에서의 일시적인 OCT 신호의 평균값이다.
따라서, 본 발명에 따른 상기 SvOCT 영상 생성 모듈은 단위 시간(예컨대 1초)동안 순차적으로 획득된 복수 개의 OCT 영상들(예컨대 200개의 OCT 영상들)을 이용하여, 각 시간 포인트마다 평균, 편차를 이용하여 각 픽셀에 대해 분산을 구하고, 이를 통해 스펙클의 변화의 정도를 측정할 수 있게 된다.
상기 관심영역 설정 모듈(240)은 상기 SvOCT 영상에서 관심 영역(Region of Interest; 'ROI')을 설정하기 위한 모듈이다. 상기 관심 영역 설정 모듈은 출력 모듈의 화면을 통해 SvOCT 영상을 디스플레이시키고, 사용자가 해당 영상에 대하여 측정하고자 하는 영역을 수동으로 표시하면, 사용자에 의해 표시된 영역에 대한 정보를 획득하여 관심 영역으로 설정하게 된다. 이와 같이, 관심 영역 설정 모듈을 통해 SvOCT 영상에서 관심 영역을 설정하여, 관심 영역에 대한 스펙클 변화량을 화면에 표시함으로써, 혈관 내외의 불필요한 영역은 제외하고 혈액 부분의 응고 등의 상태만을 정확하게 추측 및 파악이 가능하다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 혈액 모니터링 장치(20)에 의해 스펙클 변화 이미지를 획득한 후 필요한 관심 영역만을 설정해서 분석하는 이미지를 예시적으로 도시한 것이다. 도 3의 (a1)과 (b1)은 관심 영역이 설정된 SvOCT 영상이며, (a2)는 a1의 SvOCT 영상에서 관심 영역만을 표시한 영상이며, (b2)는 b1의 SvOCT 영상에서 관심 영역만을 표시한 영상이다. 도 3에 도시된 바와 같이, SvOCT 영상을 통해 관심 영역에서 스펙클의 변화의 정도를 시각적으로 확인할 수 있게 된다.
상기 혈액 상태 모니터링 모듈(230)은 상기 SvOCT 영상 생성 모듈에 의해 생성된 SvOCT 영상을 이용하여, 혈액의 상태를 판단하여 제공하게 되는데, SvOCT 영상의 각 픽셀에 대한 스펙클 변화값에 따라 혈액이 액체 상태, 겔 상태 및 고체 상태 중의 하나인 것으로 판단할 수 있다. 스펙클 분산값이 70이상이면 액체 상태로서 혈액의 움직임이 많으므로 혈관내의 혈액이 원활하게 흐르고 있는 것으로 판단되며, 스펙클 분산값이 10~70의 범위내이면 혈액의 움직임이 약간 느린 정도로서 혈액이 겔 상태로 판단되며, 스펙클 분산값이 10 이하이면 고체 상태로서 혈액이 고정되어 있으므로 혈액이 응고된 상태라고 판단된다. 이와 같이, 상기 혈액 상태 모니터링 모듈은 실시간으로 제공되는 SvOCT 영상을 통해 시간에 따른 혈액 응고 과정을 수량화시켜 실시간으로 추적할 수 있게 된다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, (a)는 일반 상태의 마우스 혈관 내부를 촬영한 2차원 OCT 영상들이며, (b)는 (a)의 각 시간들에 대하여 획득한 SvOCT 영상들이다. 도 4를 참조하면, (a)에서 혈관 벽의 2차원 고해상도 광단층 영상에서 강한 신호가 관찰됨을 확인할 수 있으며, (b)에서 혈관 벽의 주변에서 스펙클 분산값이 최대로서 고체 상태임을 알 수 있으며, 혈관 내부 중앙에서 스펙클 분산값이 최소로서 액체 상태임을 알 수 있다. 또한, FeCl3 혈액 응고 모델을 이용하여 시간에 따른 혈액 응고 과정을 이미지로 확인할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, (a)는 FeCl3가 5% 희석된 약물 처리를 통해 혈액 응고된 상태의 마우스 혈관 내부를 촬영한 2차원 OCT 영상들이며, (b)는 (a)의 각 시간들에 대하여 획득한 SvOCT 영상들이다. 도 5를 참조하면, (a)에서 혈관 벽의 2차원 고해상도 광단층 영상에서 강한 신호가 관찰됨을 확인할 수 있으며, (b)에서 혈관 벽의 주변에서 스펙클 분산값이 최대로서 고체 상태임을 알 수 있으며, 혈관 내부 중앙에서 스펙클 분산값이 최소로서 액체 상태임을 알 수 있다.
도 6은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 도 4 및 도 5의 각각에 따라 일반 상태(0%)와 증류수에 희석한 FeCl3 5% 희석 약물을 처리한 상태(5%)를 비교한 그래프이다. 도 6을 참조하면, 혈액 응고 모델이 혈액이 응고됨에 따라 움직임이 안정화되면서 스펙클의 감소가 커지는 것을 확인할 수 있게 된다.
한편, 상기 혈액 상태 모니터링 모듈(230)은, 추가적으로 단층에서의 Z축 방향의 A-scan 데이터와 다음 번에 나오는 Z축 방향의 A-scan 데이터에서 SvOCT 영상에서 평균값을 뽑고, 이들로부터 스펙클 변화에 대한 인접 픽셀별 교차상관값을 검출하고, 교차상관값에 따라 혈액이 액체 상태, 겔 상태 및 고체 상태 중의 하나인 것으로 판단할 수도 있다. 상기 스펙클 변화에 대한 인접 픽셀별 교차상관값(r)은 아래의 수학식2로 구해질 수 있다.
여기서, p와 q는 A-scan 데이터이며, 
, 
는 분리되고 선택된 A-scan 데이터이며, 
와
는 각각 
와 
의 평균값이다.
일반적으로 상관 관계(즉, 유사성)가 높은 경우 '1'로 수렴하며, 상관 관계가 없는 경우 '0'에 가깝게 수렴을 하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 시스템에서는, 액체의 경우 SV 값이 증가되고 액체 분자들의 움직임 때문에 서로 다른 값일 가능성이 높아지게 되고, 이 경우 교차상관값은 상대적으로 '0'값에 가까워지게 된다. 한편, 혈액이 응고가 되어 고체가 되는 경우, 인접한 값들이 비슷한 값들을 유지하게 되고, 그 결과 교차상관값은 '1'에 가까운 값을 가지게 된다. 정리하면, 인접 픽셀별 교차상관값은, 액체 상태인 경우 '0'에 가깝게 되고, 응고가 진행되어 고체 상태가 되면 점점 '1'에 가까워지게 된다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 돼지피를 공기중에 노출시에 굳는 정도를 측정한 OCT 영상(a; Original OCT), OCT 영상에 대한 평균값들을 표시한 평균값 OCT 영상(b; Averaged OCT), 및 SvOCT 영상들(c)이다. 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혈액 모니터링 시스템에 있어서, 도 7의 SvOCT 영상데이터에서 인접 픽셀별 교차 상관값들을 도시한 그래프이다. 도 8을 참조하면, 1분뒤에는 교차상관값이 급속이 증가하고, 6분뒤에는 불안정하지만 saturation 되는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 혈액 모니터링 시스템은 광단층 영상 장비를 사용함으로써, 기존의 초음파 장비가 보여줄 수 없는 더 나은 해상도로 혈관 내 혈액 응고를 확인하는데 더욱 유용할 뿐 만 아니라, X-선과 같은 전리 방사선이나 조영제를 사용하지 아니하므로 안전하며 실시간으로 정보를 제공할 수 있게 된다.
상기 출력 모듈(240)은 OCT 영상이나 SvOCT 영상 등을 출력하는 디스플레이 모듈, 결과물을 프린팅하여 출력하는 프린터 등으로 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 혈액 모니터링 장치는, 상기 출력 모듈을 통해, OCT 영상들이나 SvOCT 영상을 화면을 통해 출력하거나 실시간 모니터링되는 결과를 인쇄지 등을 통해 인쇄하여 출력하게 된다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 혈액 모니터링 시스템
10 : 광단층 영상 촬영 장치
20 : 혈액 모니터링 장치
200 : OCT 영상 입력 모듈
210 : SvOCT 영상 생성 모듈
220 : 혈액 상태 모니터링 모듈
230 : 출력 모듈
240 : 관심영역 설정 모듈
10 : 광단층 영상 촬영 장치
20 : 혈액 모니터링 장치
200 : OCT 영상 입력 모듈
210 : SvOCT 영상 생성 모듈
220 : 혈액 상태 모니터링 모듈
230 : 출력 모듈
240 : 관심영역 설정 모듈
Claims (16)
- 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템에 있어서,
광단층 영상(OCT Image)을 촬상하여 제공하는 광단층 영상 촬영 장치; 및
상기 광단층 영상 촬영 장치로부터 단위 시간당 복수 개의 광단층 영상들(OCT Images)을 입력받고, 상기 광단층 영상들로부터 스펙클의 변화를 검출하고, 스펙클의 변화량을 분석하여 혈액의 상태를 판단하여 제공하는 혈액 모니터링 장치;
를 구비하여, 혈관 외부에서 혈액의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 혈액 모니터링 장치는,
상기 광단층 영상 촬영 장치로부터 단위 시간당 사전 설정된 복수 개의 광단층 영상들(OCT Images)을 입력받는 OCT 영상 입력 모듈;
상기 복수 개의 OCT Images를 이용하여 스펙클의 변화에 따른 스펙클 분산 광단층 영상(SvOCT image)을 생성하는 SvOCT 영상 생성 모듈; 및
상기 SvOCT 영상 생성 모듈에 의해 생성된 SvOCT 영상을 이용하여, 혈액의 상태를 판단하여 제공하는 혈액 상태 모니터링 모듈;
을 구비하는 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템. - 제2항에 있어서, 상기 SvOCT 영상 생성 모듈은,
상기 복수 개의 광단층 영상들의 각 픽셀에 대하여 OCT 신호 강도에 대한 스펙클 분산값(SV)을 구하고,
상기 각 픽셀에 대한 스펙클 분산값들을 이용하여 스펙클 분산 광단층 영상(SvOCT image)을 생성하는 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템. - 제3항에 있어서, 임의의 픽셀 위치(j,k)에서의 OCT 신호 강도에 대한 상기 스펙클 분산값()은 아래의 수학식으로 구해지며,
여기서, N은 스펙클 변화 측정에 사용된 광단층 영상들의 개수이며,는 i 번째 광단층 영상에서 픽셀(j,k)의 OCT 신호 강도이며,
은 같은 지점에서의 일시적인 OCT 신호의 평균값인 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 혈액 상태 모니터링 모듈은,
SvOCT 영상의 각 픽셀에 대한 스펙클 변화값에 따라 혈액이 액체 상태, 겔 상태 및 고체 상태 중의 하나인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템. - 제2항에 있어서, 상기 혈액 상태 모니터링 모듈은,
SvOCT 영상에서 스펙클 변화에 대한 인접 픽셀별 교차상관값을 검출하고, 교차상관값에 따라 혈액이 액체 상태, 겔 상태 및 고체 상태 중의 하나인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템. - 제6항에 있어서, 상기 스펙클 변화에 대한 인접 픽셀별 교차상관값(r)은 아래의 수학식으로 구해지며,
여기서, p와 q는 A-scan 데이터이며,,
는 분리되고 선택된 A-scan 데이터이며,
와
는 각각
와
의 평균값인 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 혈액 모니터링 장치는,
상기 SvOCT 영상에 있어서 관심 영역(ROI)을 설정하도록 구성된 관심 영역 설정 모듈;을 더 구비하고,
상기 혈액 상태 모니터링 모듈은 SvOCT 영상에서 상기 관심 영역 설정 모듈에 의해 설정된 관심 영역에 대해서만 스펙클 변화량을 분석하는 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 광단층 영상 촬영 장치는,
Time-domain에서 OCT 신호를 획득하는 광단층 영상 촬영 장치; 및
Frequency-domain에서 OCT 신호를 획득하는 광단층 영상 촬영 장치; 중 하나로 구성되며,
상기 Frequency-domain의 광단층 영상 촬영 장치는 광원이 Swept source로 구성되거나 Spectral domain 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 시스템. - (a) 광단층 영상 촬영 장치로부터 단위 시간당 사전 설정된 복수 개의 광단층 영상들(OCT Images)을 순차적으로 입력받는 단계;
(b) 상기 복수 개의 OCT Images를 이용하여 스펙클의 변화에 따른 스펙클 분산 광단층 영상(SvOCT image)을 생성하는 단계; 및
(c) 상기 SvOCT 영상을 이용하여, 혈액의 상태를 판단하는 단계;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 방법. - 제10항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
상기 복수 개의 광단층 영상들의 각 픽셀에 대하여 OCT 신호 강도에 대한 스펙클 분산값(SV)을 구하고,
상기 각 픽셀에 대한 스펙클 분산값들을 이용하여 스펙클 분산 광단층 영상(SvOCT image)을 생성하는 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 방법. - 제10항에 있어서, 임의의 픽셀 위치(j,k)에서의 OCT 신호 강도에 대한 상기 스펙클 분산값()은 아래의 수학식으로 구해지며,
여기서, N은 스펙클 변화 측정에 사용된 광단층 영상들의 개수이며,는 i 번째 광단층 영상에서 픽셀(j,k)의 OCT 신호 강도이며,
은 같은 지점에서의 일시적인 OCT 신호의 평균값인 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
SvOCT 영상의 각 픽셀에 대한 스펙클 변화값에 따라 혈액이 액체 상태, 겔 상태 및 고체 상태 중의 하나인 것으로 판단하는 것을 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 방법. - 제13항에 있어서, 상기 스펙클 변화값은 스펙클 분산값인 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
SvOCT 영상에서 스펙클 변화에 대한 인접 픽셀별 교차상관값을 검출하고, 교차상관값에 따라 혈액이 액체 상태, 겔 상태 및 고체 상태 중의 하나인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 방법. - 제15항에 있어서, 상기 스펙클 변화에 대한 인접 픽셀별 교차상관값(r)은 아래의 수학식으로 구해지며,
여기서, p와 q는 A-scan 데이터이며,,
는 분리되고 선택된 A-scan 데이터이며,
와
는 각각
와
의 평균값인 것을 특징으로 하는 광단층 영상을 이용한 혈관 내 혈액 모니터링 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190148607A KR20210060963A (ko) | 2019-11-19 | 2019-11-19 | 광단층 영상을 이용한 혈액 모니터링 시스템 및 혈액 모니터링 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR20210060963A true KR20210060963A (ko) | 2021-05-27 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20210060963A (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101082477B1 (ko) | 2009-11-02 | 2011-11-11 | 화남전자 주식회사 | 기능적 내시경 광단층 영상진단 장치 |
| KR20150133716A (ko) | 2013-03-29 | 2015-11-30 | 소니 주식회사 | 혈액 상태 평가 장치, 혈액 상태 평가 시스템, 혈액 상태 평가 방법 및 프로그램 |
| KR20190037458A (ko) | 2017-09-29 | 2019-04-08 | 주식회사 인피니트헬스케어 | 의료 영상 기반 뇌혈전 영역 식별 및 가시화를 위한 컴퓨팅 시스템 및 방법 |
-
2019
- 2019-11-19 KR KR1020190148607A patent/KR20210060963A/ko not_active Application Discontinuation
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