WO2012033349A2 - 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법 - Google Patents

초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법 Download PDF

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김원식
배장호
최형민
장승진
정환택
박용기
방건웅
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한국표준과학연구원
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings
    • A61B8/0858—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings involving measuring tissue layers, e.g. skin, interfaces

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring the ratio between the intima thickness and the median thickness of carotid blood vessels by using an ultrasound image.
  • a method for measuring the ratio of intima thickness and intima thickness of carotid blood vessels using an ultrasound image, in which the intima starting line and the outer film starting line are separately read out and the ratio of the intima thickness and the intima thickness is measured through the read lines. will be.
  • the thick artery of our body is mostly composed of three membranes (intima, media, and outer membrane), and the thickness of the thickness of the inner membrane and the media is the intima-media thickness (IMT).
  • IMT intima-media thickness
  • one of the weak points of IMT is that it includes the thickness of the intima and the intima at the same time, it is difficult to discriminate between the thickening of the intima alone or thickening that can be characteristic of various disease groups.
  • the thickening of the inner membrane is mainly related to the thickening of blood vessels, and in the case of hypertension, it is known that the blood vessels become thick because the thickness of the media is increased. As such, measuring the relative thicknesses of the inner and middle veins of blood vessels may be a clinically important diagnostic index, but little research has been made due to measurement technology.
  • the resolution is limited to about 0.2 mm.
  • the axial resolution (Axial Resolution) of the ultrasonic probe having 15 ⁇ 20 MHz is 0.15 ⁇ 0.2 mm, showing the best existing resolution close to the inner film thickness.
  • the boundary between the inner film and the middle film is ambiguous.
  • the present invention has been made to improve the prior art as described above, the inner film thickness and medial film of the blood vessels through a still image or video taken by ultrasound of blood vessels, such as carotid artery, using an ultrasound apparatus generally used in medical fields Instead of measuring the thickness absolutely, the intima starting line, the relative intima starting line, and the outer initiation line were read separately and the ratio between the intima thickness and the intima thickness was measured.
  • An object of the present invention is to provide a method for measuring the ratio between the intima thickness and the median thickness of a carotid artery using an ultrasound image to ensure the ratio measurement of the median thickness.
  • the present invention by taking a video of the blood vessels, such as the carotid artery by ultrasound, by measuring the ratio of the inner film thickness and median thickness for each still image included in the video, to propose a new parameter for the evaluation of the blood vessels of the carotid artery
  • Another object of the present invention is to provide a method for measuring the ratio between the thickness of the carotid artery and the thickness of the carotid artery.
  • the present invention provides a method for measuring the ratio of the intima-thickness and the median thickness of the carotid artery using an ultrasound image.
  • the method of measuring the ratio between the inner film thickness and the median thickness may include: reading an intima starting line, a relative intima starting line, and an outer film starting line of a predetermined vessel; And measuring any one or more of the relative intima thickness, relative media thickness, and intima thickness of the blood vessel through the intima starting line, the relative intima starting line, and the outer intima starting line.
  • the blood vessel is a carotid artery (carotid artery)
  • the still image or video of the blood vessel may be characterized in that the ultrasonic still image or video taken by the blood vessel.
  • the method of measuring the ratio of the inner film thickness to the middle film thickness the step of reading the intima start line, relative median start line, and outer film start line of the blood vessel included in the thickness measurement region, the blood vessel still image or video Obtaining respective boundary points for the inner, outer, and outer membranes of the blood vessel through differential changes; And connecting the boundary points to generate the intima start line, the relative median start line, and the outer start line of the blood vessel.
  • acquiring the respective boundary points for the inner film, the relative middle film, and the outer film of the blood vessel through the differential change amount of the vascular still image may include the boundary points of the inner film, the relative middle film, and the outer film of the blood vessel at a predetermined position. If at least one of the above is not present, the method includes obtaining the respective boundary points by deleting other boundary points of the position or interpolating with boundary points adjacent to both directions of the non-existing point.
  • the step of reading the intima start line, the relative median start line, and the outer film start line of the blood vessel included in the thickness measurement region if the acquisition of the relative median boundary point is impossible, the derivative of the vascular still image or video Obtaining an overlapping echo peak of the blood vessel through a change amount; And estimating the relative median boundary point through the overlapping echo peaks.
  • the reading of the inner film start line, the relative film start line, and the outer film start line of the blood vessel included in the thickness measurement area may include overlapping the inner film echo and the media film echo when the relative median boundary point cannot be obtained. And measuring and reading the base length of the overlapping echo from which the contribution of the outer film echo contributing to the overlapping echo is eliminated.
  • the present invention it is possible to measure the ratio between the intima-thickness and the median thickness of the carotid artery by using an economical and easy-to-measure ultrasound imaging apparatus among medical imaging apparatuses applicable to clinical practice.
  • the difference effect of the present invention is that it is practically impossible to measure the intima thickness and median thickness of the carotid artery due to the resolution limit of the ultrasound used in the medical field.
  • By evaluating the ratio of it is possible to analyze the increase in the thickness of each vessel caused by different mechanisms causatively to obtain the effect of examining and evaluating the cause of cardiovascular disease.
  • changes in the thickness of the endometrium are known to be reflected by risk factors such as hyperlipidemia, obesity, diabetes, and smoking, whereas changes in the thickness of the media may cause intravascular blood flow rate or shear stress caused by hypertension. It is known to be reflected by hemodynamic factors such as).
  • FIG. 1 is a view showing the anatomical structure of the carotid artery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing the general structure of the carotid artery and the ultrasound measurement area and direction according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing a cross-sectional view of the carotid artery measured by using an ultrasonic medical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flow chart illustrating a method for selecting thickness measurement regions of the carotid intima, media, and intima according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a method for selecting thickness measurement regions of the carotid intima, media, and intima according to one embodiment of the present invention in a cross-sectional view of the carotid artery.
  • FIG. 6 illustrates a finally determined thickness measurement area in accordance with an embodiment of the present invention .
  • FIG. 7 is a view showing a method of measuring the relative intima thickness, relative median thickness, and endometrial thickness of the carotid artery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view illustrating the principle of superposition of echoes generated at the interface of each medium when ultrasound is incident in the order of lumen, intima, media and outer membrane of the carotid artery in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a method of manufacturing an artificial blood vessel and inserting the artificial blood vessel into an artificial blood in order to observe a change in the overlapping signal pattern of echoes generated at the blood and blood vessel interface according to the change in the wall thickness of the blood vessel according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a result of analyzing the contrast (brightness of the ultrasonic echo) from the image taken by ultrasound and the images taken by ultrasound and the plate-shaped artificial blood vessels in the artificial blood according to an embodiment of the present invention, and blood, intima, media
  • the figure which shows the result of simulating the brightness of an echo when an ultrasonic wave enters in order.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining derivation of semi-empirical information on the density and thickness of blood, intima and media from a clinical ultrasound image of a carotid artery according to an embodiment of the present invention.
  • aorta 200 ultrasonic measurement area
  • branch 320 total carotid artery inner diameter
  • FIG. 1 is a view showing the anatomy of the carotid artery according to an embodiment of the present invention.
  • the carotid artery is an artery that grinds out of the aorta 140 and passes blood through the neck to the head or face, and the total carotid artery 130 connected to the aorta 140 passes through the swelling part 120 in the head direction to the internal carotid artery 100.
  • external carotid artery 110 is separated.
  • the bulge 120 is located at the branch where the total carotid artery 130 is divided into the internal carotid artery 100 and the external carotid artery 110.
  • the blood vessel measuring apparatus starts at the proximal portion (heart direction) at least 10 mm away from the interface where the total carotid artery 130 moves to the carotid artery bulge 120 as shown in FIG. 3.
  • Carotid artery images of the distal wall can be measured at lengths greater than 10 mm in the absent region.
  • the present invention is described based on the measurement of the relative thickness and the median thickness of the carotid artery and the medial film using the carotid artery using ultrasound, the present invention is not limited thereto. That is, the present invention includes a method for measuring the relative thickness and the median thickness of the carotid artery and the medial film by using a carotid artery image obtained using a device other than ultrasound. It also includes methods for measuring the relative thickness and inner film thickness of the inner film and the middle film.
  • FIG. 2 is a view showing the structure of the carotid artery, the ultrasound measurement region and the direction according to an embodiment of the present invention.
  • the carotid arteries 100, 110, 130 may be measured with respect to the measurement area in a vertical plane in the echo direction 210.
  • the total carotid artery 130 is separated from the branch 220 by the inner carotid artery 100 and the outer carotid artery 110.
  • the carotid artery cross section measured in the ultrasonic measurement region is shown in FIG. 3.
  • FIG. 3 is a view showing a cross-sectional view of the carotid artery measured by using an ultrasonic medical device according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic wave is emitted in the ultrasonic direction 300 using the ultrasonic medical device, it is a measured cross-sectional view of the carotid artery.
  • the bulge portion 120 of FIG. 1 is present at the position where the total carotid artery 130 is separated into the internal carotid artery 100 and the external carotid artery 110.
  • the carotid artery image is measured at an area of 10 mm or more in the heart direction continuously from the point about 10 mm away from the heart direction (the right direction in FIG. 3). 120 and the measurement area of FIG.
  • a region may be divided into a distal portion 350 and a proximal portion 360.
  • the wintry 350 is in the opposite direction to the heart
  • the proximal part 360 is in the heart direction.
  • On both sides of the blood 330 is a proximal wall 340 and a distal wall 383.
  • the intima start 381 and the outer film start 382 may be detected from the blood 330 toward the tissue 390.
  • the intima (which is the thickness between the intima start 381 and the relative intima start 380) and the intima (the thickness between the relative intima start 380 and the intima start 382) interface (in FIG. (380) 'position, but echo is generated anatomically, the media is attached to the inner membrane, and the axial resolution of ultrasound (approximately 10 MHz) used in the medical field is about 0.3 mm, which is less than the thickness of the inner membrane (about 0.1 mm). thick.
  • ultrasonic echo intima echo
  • intima film ultrasonic echo
  • the x-coordinate (intima starting point (730 in FIG. 8)) of the point where the slope increases in the direction of '+' and decreases along the curve of increasing the brightness of the echo generated at the interface between blood and the inner membrane and the middle membrane The x-coordinate of the point where the inclination increases and decreases in the '+' direction along the curve in which the brightness of the echo generated at the interface between the outer membrane and the outer membrane (380 in FIG. 3) starts (increase point 733 in FIG. 8). ) Is almost unaffected by the gain and compression of the ultrasound device, so the distance between these two points is defined in the previous study as the inner film thickness.
  • the distance between the intima starting point 730 and the relative intima starting point 732 is proportional to the actual intima thickness
  • the distance from the relative intima starting point 732 to the intima starting point 733 is proportional to the actual intima thickness.
  • the latter may be defined as 'relative thickness (T2)'.
  • the distance from the inner film starting point 730 to the outer film starting point 733 can be said to be proportional to the actual inner film thickness, which can be defined as the inner film thickness T3.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of selecting a relative endometrial thickness, a relative median thickness, and a thickness measurement region of an endocardium according to an embodiment of the present invention.
  • a user manually selects an ROI (steps S400 and S410).
  • at least one of the average, standard deviation, flatness, skewness, kurtosis, uniformity, and entropy of the ROI is calculated while moving the point (x0, y0) (step S430). .
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a method of selecting thickness measurement regions of the carotid intima, the media, and the intima according to one embodiment of the present invention in a cross-sectional view of the carotid artery.
  • the signal measured by the ultrasonic medical device is S
  • the relative median thickness D3 is defined as the difference between the relative median start 510 and the outer film start 382.
  • the points (x0, y0) are moved left and right and up and down to analyze the ROI. Based on the (x0, y0) of the ROI, the x0 value is analyzed by increasing and decreasing the maximum ⁇ x / 2 value up and down, and the y0 value is increased and decreased by the maximum ⁇ y / 2 value up and down.
  • step S440 If the calculated values exceed a predetermined threshold (step S440), the correlation coefficients are calculated and the correlation coefficient maximum value is detected (step S450) so that the boundary between blood and blood vessels is centered. If the calculated values do not exceed a predetermined threshold (step S460), at least one of the average, standard deviation, flatness, skewness, kurtosis, uniformity and entropy of the ROI is calculated while moving the points (x0, y0) again. And repeat the same process. The optimal ROI can then be determined using the maximum correlation coefficient (step S470).
  • the final ROI is shown in FIG. 6.
  • the optimal ROI is preferably selected such that the boundary between blood and blood vessels is centered in the measurement area.
  • This determined ROI is 128 pixels 610 in vertical axis x 64 pixels 611 in horizontal axis.
  • a blood vessel 600 is placed between the blood 330 and the tissue 390, and an interface 630 is formed between the blood vessel 600 and the blood 330.
  • An enlarged view 620 in which a portion of the ROI is enlarged is shown on the right.
  • FIG. 7 is a view illustrating a method of separately measuring the relative intima thickness (T1), the relative median thickness (T2) and the endometrial thickness (T3) of the carotid artery according to an embodiment of the present invention.
  • T1 the relative intima thickness
  • T2 the relative median thickness
  • T3 the endometrial thickness
  • the horizontal axis represents the position axis
  • the vertical axis represents the contrast.
  • the location is composed of blood portion 700, blood vessel portion 710, tissue portion 720, respectively.
  • the methods of detecting the intima, the media, and the outer membrane of the carotid arteries include a method of dividing the ROI by the vertical axis and detecting one-dimensionally, and a method of two-dimensionally detecting the entire ROI.
  • 7 illustrates a method of dividing an ROI by a vertical axis and detecting it in one dimension.
  • ROIS (n) is composed of data of [ROI (xn, y1), ROI (xn, y2), ROI (xn, y3), ..., ROI (xn, y64)], and ROIS (n N is the number of one-dimensional signals, and can be divided into 128 primary signals equal to the number of x-axis pixels, and x and y represent coordinates in the ROI.
  • FIG. 7 illustrates one of the 128 lines parallel to the longitudinal axis in ROI (x, y) as an example, in which high echo is observed at the interface between blood and the inner membrane due to ultrasonic characteristics, and at the interface between the middle and outer membranes. Echo is observed
  • the inner film echo generated at the interface of blood (330 of FIG. 3) and the start of the inner film (381 of FIG. 3) and the middle film echo generated at the inner film and the middle film interface are observed.
  • 7 shows the intima starting point 730, the relative intima starting point 732, the intima starting point 733, the relative intima thickness T1, the relative intima thickness T2, and the intima thickness T3.
  • the reason that the axial resolution of the ultrasonic wave used in the medical field is thicker than the thickness of the inner film is to provide a means for calculating the ratio of the inner film thickness and the middle film thickness beyond the limit that only measured the combined thickness of the inner film and the middle film.
  • the semi-empirical method is used through the following experiments and simulations.
  • FIG. 9 is a planar artificial blood vessel of various thicknesses at 0.1 mm intervals ranging from 0.1 mm to 1 mm in order to observe the change in the overlapping signal pattern of echoes generated at the blood and blood vessel interface according to the change in the wall thickness (left picture).
  • This is a scene where the ultrasound image is measured by a medical ultrasound device (right picture) by measuring and inserting into the artificial blood (middle picture).
  • FIG. 10 are images taken by ultrasound after inserting the flat artificial blood vessel manufactured in FIG. 9 into artificial blood.
  • Figures in the middle row are the results of analyzing the contrast (ultrasound echo brightness) using MATLAB S / W from the ultrasound images in the left column.
  • the right column 1020 has semi-empirical information on the density and thickness of blood, intima and media, and is the result of simulating the brightness of the echo using MATLAB S / W when ultrasonic waves are incident.
  • typical carotid ultrasound images are analyzed as shown in FIG. 11, where the lumen of the blood is dark and at the interface between the blood and the intima (1130).
  • the generated echoes and echoes generated at the interface 1100 between the inner film and the middle film overlap with each other to form a bright band (1110), and the remaining middle film portion (1111) appears dark again from the end of the width of the overlapping echoes. It can be observed that bright echoes occur again at the interface.
  • the blood is black because the density is relatively uniform, and the density difference between the blood and the inner film is large, and bright echo occurs at the interface, and the width of the echo is thicker than the thickness of the inner film so that the echo generated at the interface between the inner film and the middle film overlaps (1110).
  • the black portion from the end of the overlapped echo width is covered by the width of the overlapped echo, and the remaining media is dark because the density of the media itself is relatively uniform, and the density difference between the media and the outer membrane is large.
  • bright echoes can be deduced based on known anatomical knowledge of the carotid arteries and knowledge of medical ultrasound engineering.
  • the density difference between the blood and the inner film is large and the density difference between the inner film and the middle film is small in the right column 1020 of FIG. 10 so that the height of the inner film echo brightness is increased. Simulated higher than the height.
  • the semi-empirical thickness and density are shown as green solid lines in the order of blood, inner film, middle film, and outer film from the top, and when the ultrasound is incident in this order, the red dotted line at the interface between the blood and the inner film It is the generated echo (inner film echo), and the dotted green line is the echo (middle film echo) generated at the interface between the inner film and the middle film, and these superimposed echoes are indicated by the solid blue line.
  • the upper left column shows the thickness of the artificial blood vessel specimen of 0.1 mm, which is thinner than the longitudinal resolution of the ultrasound (approximately 0.3 mm), and as shown in the middle column (1010), echo and blood vessel and blood The echoes generated at the interface are very close and have one peak in the overlapping echo.
  • the thickness of the specimen is 0.3 mm, which is similar to the resolution of the ultrasonic wave, as shown in the middle column of the left column 1000
  • one peak begins to split into two, as shown in the middle column of the middle column.
  • the peaks were completely split into two and the overlapped echoes were wider as shown in the middle column.
  • the two peaks that are split here are similar because the first peak in the direction of the ultrasound beam is caused by the density difference between the artificial blood and the artificial blood vessel, and the second peak is caused by the difference in the density between the artificial blood and artificial blood. This is because the density ratio of the two media is the same even though the order of passage through the two media is different.
  • the simulation picture on the right column 1020 shows that the inner film thickness is thinner than the ultrasonic resolution, and the echoes generated at the interface between the blood and the inner film overlap very closely with the echoes generated at the interface between the inner film and the middle film. Observed in the form of (for simplicity in the simulation description below, rotate the figure 90 degrees counterclockwise). Increasing the thickness of the inner film a little more like in the middle of the right column will move the middle layer echo from the inner layer and the medial plane more to the right, so the point at which the '-' slope of the right slope of the overlapping echo starts to attenuate (the inflection point) Is further moved to and observed. When the inner film thickness is further increased as shown below in the right column, the middle layer echo is moved to the right side, and the inflection point of the right inclined plane of the overlapping echo is further moved to the right side.
  • the inflection point of the inclination of the '+' direction on the left side of the overlapping echo and the inflection point of the inclination of the '-' direction on the right side of the overlapping echo (moving in proportion to the movement of the apex of the intima film) It is clear that the distance between the median interface is proportional to the intima thickness, and it is reasonable to define this as 'relative intima thickness', and the thickness between the inflection point of the right side '-' direction of overlapping echo and the start of the envelope It is reasonable to define the term 'relative film thickness'.
  • the middle film echo moves to the right, and the length of the bottom side of the overlapping echo (represented by the solid blue line in 1020) due to the overlap of the inner film echo and the middle film echo increases, which is adjacent to the overlapping echo. It can be measured by removing the contribution of the outer membrane echo generated on the right side. That is, it is determined that the ratio of the inner film thickness to the middle film thickness increases as the bottom length of the middle film echo in which the inner film and the middle film overlap in the same inner film thickness group is longer.
  • each of the inner and middle layers of the overlapped echoes has ripple-shaped ripple echoes due to non-uniformity of the media, and as a result, the left side of the overlapped echoes has an approximate Gaussian distribution.
  • the present invention also detects an overlapping echo peak when searching for an inflection point on the superimposed echo right slope.
  • the overlapping echo peak is the position (x-coordinate with extreme value) where the derivative value is 0 between the start of the intima and the start of the envelope.
  • the inflection point on the right side of the overlapping echo is the point having the maximum differential value in the '-' direction in the area of the overlapping echo peak and the envelope starting point.
  • the intima starting line, the relative intima starting line, and the outer intima starting line are obtained by connecting the corresponding points in the transverse direction.
  • the median start line and the envelope start line can be detected. If an error occurs during detection, the ROIS is deleted and interpolated from the left and right data to detect each line. In some cases, interpolation may not be applied.
  • Two-dimensional detection of ROI is performed using a speckle noise reduction filter and then using a line mask using edge detection algorithms such as Sobel, Prewitt, Roberts, Gaussian, Laplacian, Zero crossing, Canny, etc.
  • the boundary line can be detected.
  • the line mask is a derivative operator for the x-axis and y-axis. This may be calculated based on a feature in which the amount of change of the signal in the boundary line changes rapidly.
  • the blood vessel part is divided into vertical axis lines, and the vertical axis line of the part where an error occurs in detection is deleted.
  • the intima starting line and the outer film starting line can be detected. In some cases, extrapolation and interpolation may not be applied.
  • the inner film start line and the outer film start line may be detected using the edge detection algorithm, and the lines therebetween may be processed in the same manner as the one-dimensional detection method.
  • the ratio of the relative intima thickness to the relative mesial thickness can be measured from the carotid arterial ultrasound image, and the thickness ratio of the intima and the intima can be compared with each other in a group having a constant intima thickness at the medical field.
  • the endometrial echo and endometrium developed at the interface between blood and endothelium even though the axial resolution is thicker than the endocardium of the carotid artery in the reality of using 10 MHz or less for medical safety as a diagnostic ultrasound in the medical field.

Abstract

본 발명은 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 경동맥 등의 혈관을 초음파로 촬영한 정지영상이나 동영상을 통해 상기 혈관의 내막시작라인, 상대적중막시작라인, 및 외막시작라인을 각각 분리하여 판독하고, 상기 판독한 각 라인을 통해 내막두께와 중막두께의 비율을 측정하는 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법에 관한 것이다.

Description

초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법
본 발명은 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 경동맥 등의 혈관을 초음파로 촬영한 정지영상이나 동영상을 통해 상기 혈관의 내막시작라인, 상대적중막시작라인, 및 외막시작라인을 각각 분리하여 판독하고, 상기 판독한 각 라인을 통해 내막두께와 중막두께의 비율을 측정하는 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법에 관한 것이다.
우리 몸의 굵은 동맥은 대부분 3개의 막(내막, 중막, 외막)으로 구성되어있으며 내막의 두께와 중막의 두께를 합한 두께를 내중막두께(intima-media thickness: IMT)라하며, 일실시예로서 목 동맥을 의미하는 경동맥의 경우 그 단면도를 도식화하여 도 3에 나타내었다. IMT는 그간 여러 연구결과에서 급성심근 경색증과 같은 심장혈관 질환과 뇌졸중의 예측인자로서 그 임상적 의미가 잘 알려져 있다.
그러나, IMT의 약점으로 지적되는 점 중 하나로 내막과 중막의 두께를 동시에 포함하기 때문에 여러 질병군에서 특징적으로 잘 나타날 수 있는 내막만의 비후 혹은 중막만의 비후를 감별하기 어려운 점이 있다.
고콜레스테롤 혈증과 같이 죽상경화증과 관련된 질환에서는 주로 내막의 비후가 혈관의 비후와 관련이 되며 고혈압과 관련된 경우 주로 중막의 두께가 증가하기 때문에 혈관이 두꺼워지는 것으로 알려져 있다. 이와 같이 혈관의 내막과 중막의 상대적 두꺼운 정도를 측정하는 것이 임상적으로 매우 중요한 진단지표가 될 수 있지만, 측정기술의 문제로 거의 연구가 이루어져 있지 않다.
기존의 내막과 중막의 두께를 분리하여 측정하는 방법으로서, 현미경적 관찰에 대한 보고와 최근 컴퓨터단층촬영(CT), 자기공명영상(MRI) 및 초음파 의료기기를 이용한 방법이 제시되었다.
그러나, 이러한 현미경적 관찰은 동물실험을 통하여 혈관조직을 채취하여 이루어지므로, 그 결과를 사람에게 직접 적용하기는 곤란하고, 컴퓨터 단층촬영의 경우 0.5 X 0.5 mm/pixel 해상도의 한계로, 평균적으로 0.1 mm 미만인 내막의 두께를 측정하는데 문제가 있다는 단점이 있다.
또한, 현재 개발된 7 T(tesla) 자기공명영상(MRI)의 경우에도 해상도는 0.2 mm 정도로서 한계성을 갖는다. 다만, 15~20 MHz를 갖는 초음파 프로브의 축방향해상도(Axial Resolution)는 0.15~0.2 mm 로서 내막두께에 근접하는 현존하는 가장 우수한 해상도를 보이고 있다. 하지만, 이 경우에도 내막과 중막의 경계선이 모호한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 의료현장에서 일반적으로 사용되는 초음파장치를 이용하여 경동맥 등의 혈관을 초음파로 촬영한 정지영상이나 동영상을 통해 상기 혈관의 내막두께와 중막두께를 절대적으로 측정하는 대신에, 내막시작라인, 상대적중막시작라인, 및 외막시작라인을 각각 분리하여 판독하고 그에 따라 내막두께와 중막두께의 비율을 측정함으로써, 비관혈적이면서 보다 정확한 경동맥 내막두께와 중막두께의 비율 측정을 보장하는 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 초음파를 통해 상기 경동맥 등의 혈관을 동영상 촬영한 후 상기 동영상이 포함하는 각 정지영상에 대한 내막두께와 중막두께의 비율을 측정함으로써, 경동맥의 혈관 평가를 위한 새로운 파라미터를 제시할 수 있는 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명은 위에서 제기된 과제를 달성하기 위해, 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법을 제공한다. 이 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법은, 선정된(predetermined) 혈관의 내막시작라인, 상대적중막시작라인, 및 외막시작라인을 판독하는 단계; 상기 내막시작라인, 상기 상대적중막시작라인, 및 상기 외막시작라인을 통해 상기 혈관의 상대적내막두께, 상대적중막두께, 및 내중막두께 중 어느 하나 이상을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 혈관은 경동맥(carotid artery)이고, 상기 혈관의 정지영상 또는 동영상은 상기 혈관을 초음파로 촬영한 초음파 정지영상 또는 동영상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 이 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법은, 상기 두께측정영역이 포함하는 상기 혈관의 내막시작라인, 상대적중막시작라인, 및 외막시작라인을 판독하는 단계는, 상기 혈관 정지영상 또는 동영상의 미분 변화량을 통해 상기 혈관의 내막, 상대적중막, 및 외막에 대한 각 경계점들을 획득하는 단계; 및 상기 각 경계점들을 연결하여 상기 혈관의 상기 내막시작라인, 상기 상대적중막시작라인, 및 상기 외막시작라인을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 혈관 정지영상의 미분 변화량을 통해 상기 혈관의 내막, 상대적중막, 및 외막에 대한 각 경계점들을 획득하는 단계는, 선정된 위치에서 상기 혈관의 상기 내막, 상기 상대적중막, 및 상기 외막의 경계점들 중 적어도 하나가 존재하지 않는 경우, 상기 위치의 다른 경계점들을 삭제하거나 존재하지 않는 점의 양쪽 방향에 인접한 경계점들로써 보간하여 상기 각 경계점들을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 두께측정영역이 포함하는 상기 혈관의 내막시작라인, 상대적중막시작라인, 및 외막시작라인을 판독하는 단계는, 상기 상대적중막 경계점의 획득이 불가한 경우, 상기 혈관 정지영상 또는 동영상의 미분 변화량을 통해 상기 혈관의 중첩에코정점을 획득하는 단계; 및 상기 중첩에코정점을 통해 상기 상대적중막 경계점을 추정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 두께측정영역이 포함하는 상기 혈관의 내막시작라인, 상대적중막시작라인, 및 외막시작라인을 판독하는 단계는, 상기 상대적중막 경계점의 획득이 불가한 경우, 상기 내막에코와 중막에코의 중첩에 의한 중첩에코에 기여한 외막에코의 기여분을 제거한 중첩에코의 밑변 길이를 측정하고 판독하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내막시작라인, 상기 상대적중막시작라인, 및 상기 외막시작라인을 통해 상기 혈관의 상대적내막두께와 상대적중막두께, 및 내중막두께 중 어느 하나 이상을 측정하는 단계는, 상기 내막시작라인 및 상기 상대적중막시작라인 사이에 위치하는 상기 혈관 정지영상의 픽셀 수 및 단위 픽셀 사이즈를 통해 상기 상대적내막두께를 측정하는 단계; 상기 상대적중막시작라인 및 상기 외막시작라인 사이에 위치하는 상기 혈관 정지영상의 픽셀 수 및 단위 픽셀 사이즈를 통해 상기 상대적중막두께를 측정하는 단계; 상기 내막시작라인 및 상기 외막시작라인 사이에 위치하는 상기 혈관 정지영상의 픽셀 수 및 단위 픽셀 사이즈를 통해 상기 내중막두께를 측정하는 단계; 및 상기 상대적내막두께와 상대적중막두께로부터 혈관의 중막두께에 대한 내막두께의 비율을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 현실적으로 임상에 적용가능한 의료영상진단기기 중 경제적이고 측정이 용이한 초음파 영상진단기기를 이용하여 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율을 측정하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 다를 효과로서는 의료현장에서 사용되는 초음파의 분해능 한계로 경동맥의 내막두께와 중막두께를 절대적으로 측정하는 것이 현실적으로 거의 불가능하므로 그 대신에 내막과 중막의 상대적 두꺼운 정도를 측정하여 그 두께의 비율을 평가함으로써, 원인적으로 서로 다른 기전에 의해 유발되는 각 혈관두께의 증가를 분석하여 심뇌혈관계 질환 원인을 검사하고 평가할 수 있는 효과를 얻을 수 있다는 점을 들 수 있다.
예를 들어, 혈관 내막의 두께 변화는 고지혈증, 비만, 당뇨 및 흡연 등의 위험인자에 의해 반영되는 것으로 알려져 있는 반면, 중막의 두께 변화는 고혈압에 의하여 비롯되는 혈관내의 혈류속도나 전단응력(Shear Stress)과 같은 혈역학적 요인에 의하여 반영되는 것으로 알려져 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 경동맥의 해부학적 구조를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 경동맥의 개괄적 구조와 초음파 측정영역 및 방향을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 초음파 의료기기를 이용하여 측정한 경동맥 단면도를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 경동맥 내막, 중막 및 내중막의 두께 측정 영역을 선택하는 방법을 나타내는 흐름도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 경동맥 내막, 중막 및 내중막의 두께 측정 영역을 선택하는 방법을 경동맥 단면도에 도시한 도면.
도 6는 본 발명의 일실시예에 따라 최종적으로 확정된 두께측정영역을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 경동맥의 상대적내막두께, 상대적중막두께, 및 내중막두께를 측정하는 방법을 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 초음파가 경동맥 혈관의 내강, 내막, 중막 및 외막의 순서로 입사시 각 매질의 경계면에서 발생하는 에코들의 중첩원리를 설명한 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 혈관벽두께 변화에 따른 혈액과 혈관 경계면에서 발생한 에코들의 중첩신호 패턴 변화를 관찰하기 위하여 인공혈관을 제작하고 인공혈액에 삽입시켜서 의료용 초음파 장치로써 초음파 영상을 측정하는 장면을 설명하는 사진.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 인공혈액 속에 평판형 인공혈관을 삽입시키고 초음파로 촬영한 영상과 이 영상들로부터 명암(초음파에코의 밝기)을 분석한 결과, 그리고 혈액, 내막, 중막의 순서로 초음파가 입사했을 경우 에코의 밝기를 시뮬레이션 한 결과를 설명하기 위하여 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 경동맥 혈관의 임상초음파 영상으로부터 혈액, 내막, 중막의 밀도와 두께에 대한 반경험적(semi-empirical) 정보의 도출을 설명하기 위하여 도시한 도면.
<주요 도면의 부호 설명>
100: 내경동맥 110: 외경동맥
120, 310: 팽대부 130: 총경동맥
140: 대동맥 200: 초음파 측정 영역
210, 300: 초음파 방향
220: 분기부 320: 총경동맥내경
330: 혈액 340: 근위벽
383: 원위벽
350: 원위부 360: 근위부
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 만족하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 경동맥의 해부학적 구조를 도시한 도면이다.
경동맥은 대동맥(140)에서 갈려 나와 목을 지나 머리나 얼굴로 피를 보내는 동맥으로서, 대동맥(140)에 연결되어있는 총경동맥(130)은 머리방향으로 팽대부(120)를 지나 내경동맥(100)과 외경동맥(110)으로 분리된다. 총경동맥(130)이 내경동맥(100)과 외경동맥(110)으로 나누어지는 분기부에 팽대부(120)가 위치한다.
본 발명의 일실시예에 따른 혈관측정장치는 도 3에서와 같이 총경동맥(130)이 경동맥 팽대부(120)로 이행하는 경계면으로부터 최소한 10mm 떨어진 근위부(심장방향)에서 시작하여 죽상경화반(plaque)이 없는 영역의 10mm 이상의 길이에서 원위벽의 경동맥 영상을 측정할 수 있다.
본 발명은 초음파를 이용한 경동맥 영상을 이용하여 경동맥의 내막과 중막의 상대적 두께와 내중막두께 측정을 중심으로 기술하나, 본 발명이 이에 한정되지는 않는다. 즉, 본 발명은 초음파 이외의 기기를 이용하여 획득한 경동맥 영상을 이용하여 경동맥의 내막과 중막의 상대적 두께와 내중막두께를 측정하는 방법을 포함하며, 또한 경동맥 이외에 우리 몸에 존재하는 다른 혈관의 내막과 중막의 상대적 두께와 내중막두께를 측정하는 방법도 포함한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 경동맥의 구조와 초음파 측정 영역 및 방향을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 것처럼, 경동맥(100,110,130)은 에코 방향(210)에서 수직면으로 측정영역에 대하여 측정될 수 있다. 여기서, 총경동맥(130)은 내경동맥(100)와 외경동맥(110)으로 분기부(220)를 기점으로 분리되다. 상기 초음파 측정영역에서 측정된 경동맥 단면은 도 3에 도시된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 초음파 의료기기를 이용하여 측정한 경동맥 단면도를 도시한 도면이다. 부연하면, 초음파 의료기기를 이용하여 초음파가 초음파 방향(300)으로 방사된 경우, 측정된 경동맥 단면도이다. 상술한 바와 같이 총경동맥(130)이 내경동맥(100) 및 외경동맥(110)으로 분리되는 위치에 팽대부(도 1의 120)가 존재한다. 상기 팽대부(120)와 총경동맥(130)이 접하는 위치에서 심장방향으로(도 3에서 우측방향) 약 10mm 떨어진 지점으로부터 계속하여 심장방향으로 10mm 이상 영역에서 경동맥 영상을 측정하게 되므로 영상획득은 팽대부(도 1의 120)와 측정영역을 모두 포함하여야 한다.
또한, 도 3을 참조하면, 원위부(350)와 근위부(360)으로 영역이 분리될 수 있다. 이때, 윈위부(350)는 심장 반대방향이고, 근위부(360)는 심장방향이 된다. 또한, 총경동맥(130)과 팽대부(310) 사이에는 총경동맥(130)이 팽대부(310)로 이행하는 경계면(370)이 있게 된다. 혈액(330)의 양쪽으로는 근위벽(340)과 원위벽(383)이 있게 된다.
상기 획득된 경동맥 영상을 관찰하면 혈액(330)으로부터 조직(390)방향으로 내막시작(381), 외막시작(382)이란 곳이 검출될 수 있다.
실제로는 내막(내막시작(381)과 상대적 중막시작(380)간의 두께가 됨)과 중막(상대적 중막시작(380)과 외막시작(382)간의 두께가 됨) 경계면(도 3에서 '상대적 중막시작(380)'위치)에서도 에코가 발생하지만 해부학적으로 중막은 내막과 붙어있고, 의료현장에서 사용되는 초음파(대략 10MHz)의 축방향 분해능은 대략 0.3mm로서 내막의 두께(대략 0.1 mm 이내)보다 두껍다.
따라서, 도 8에서와 같이 혈액(330)과 내막시작(381) 경계면에서 발생한 초음파 에코(내막에코)와 내막과 중막 경계면(도 3의 380)에서 발생한 초음파 에코(중막에코)신호들이 중첩되어 관측된다.
이때, 혈액과 내막의 경계면에서 발생한 에코의 밝기가 증가하는 곡선을 따라 기울기가 '＋'방향으로 증가하다가 감소하기 시작하는 지점(변곡점)의 x좌표(내막 시작점(도 8의 730))와 중막과 외막의 경계면(도 3의 380)에서 발생한 에코의 밝기가 증가하는 곡선을 따라 기울기가 '＋'방향으로 증가하다가 감소하기 시작하는 지점(변곡점)의 x좌표(외막시작점(도 8의 733))는 초음파 장치의 Gain과 Compress에 영향을 거의 받지 않으므로 이 두 점들 사이의 거리가 내중막두께로 선행연구에서 정의되고 있다.
그런데, 중첩된 초음파신호에서 실제적 중막시작점을 발견하는 것은 현실적으로 매우 복잡하고 어렵다. 한편, 도 8에서와 같이 중첩된 신호의 봉우리를 지나 '－' 방향 기울기 곡선에서 변곡점의 x좌표는 중막시작점에 비례하므로 이 지점을 도 7에서와 같이 '상대적 중막 시작점(732)'이라고 정의할 수 있다.
내막시작점(730)과 상대적 중막 시작점(732) 사이의 거리는 실제 내막두께에 비례하고, 상대적 중막 시작점(732)으로부터 외막시작점(733)까지의 거리는 실제 중막두께에 비례한다고 할 수 있으므로 전자를 '상대적 내막 두께(T1)'로 후자를 '상대적 중막 두께(T2)'로 정의할 수 있다. 또한, 내막시작점(730)으로부터 외막시작점(733)까지의 거리는 실제 내중막두께에 비례한다고 할 수 있는데, 이를 내중막두께(T3)로 정의할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 경동맥의 상대적내막두께, 상대적중막두께 및 내중막의 두께측정 영역을 선택하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 사용자가 수동식으로 ROI를 선택한다(단계 S400,S410). 최적의 ROI를 확보하기 위하여, 상기 (x0, y0)점을 이동하면서(단계 S420) ROI의 평균, 표준편차, 평탄도, 왜도, 첨도, 균일도 및 엔트로피 중 적어도 하나를 계산한다(단계 S430).
부연하면, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 경동맥 내막, 중막 및 내중막의 두께 측정 영역을 선택하는 방법을 경동맥 단면도에 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 초음파 의료기기로 측정된 신호를 S라고 하면, S는 2차원 평면에서 x×y의 사각 배열의 픽셀(500)을 형성하고, 각 픽셀을 pi, pi∈S, i=1,2,3,...,n, n=x×y, 픽셀의 그레이 색도가 c=0,1,2,...,k(k≤255)이고, S에서 경동맥의 상대적내막두께(D2), 상대적중막두께(D3), 및 내중막두께(D1) 측정 영역 ROI는 임의의 점(x0,y0) 에서 가로 △x, 세로 △y의 길이를 가지는 영역이다. △x 화소 개수는 128개, △y 화소 개수는 64개이므로, n = 128 X 64 가 될 수 있다. 여기서, 상대적중막두께(D3)는 상대적중막시작(510)과 외막시작(382)사이의 차이로 정의된다.
최적의 ROI를 결정하기 위하여 도 5와 같이 점(x0,y0)을 좌우, 상하로 이동하여 ROI를 분석하게 된다. ROI의 (x0,y0)을 기준으로 좌우로 x0 값을 최대 △x/2 값 만큼 증가 및 감소시키며 분석하고, 상하로 y0 값을 최대 △y/2 값 만큼 증가 및 감소시키며 분석한다.
만일 상기 계산된 값들이 미리 결정된 문턱치를 넘으면(단계 S440), 혈액과 혈관의 경계가 중앙에 될 수 있도록 상관계수들을 계산하고 상관계수 최대값을 검출한다(단계 S450). 만일 상기 계산된 값들이 미리 결정된 문턱치를 넘지 못하면(단계 S460), 다시 점(x0,y0)을 이동하면서 ROI의 평균, 표준편차, 평탄도, 왜도, 첨도, 균일도 및 엔트로피 중 적어도 하나를 계산하고, 동일한 과정을 반복한다. 그 다음 최대 상관계수를 이용하여 최적의 ROI를 확정할 수 있다(단계 S470).
도 6에 최종적으로 확정된 ROI가 도시되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 최적의 ROI는 혈액과 혈관의 경계가 측정 영역의 중앙에 오도록 선택되는 것이 바람직하다. 이 확정된 ROI는 세로축 128개 픽셀(610) × 가로축 64개 픽셀(611) 사이즈이다. 혈액(330)과 조직(390) 사이에는 혈관(600)이 놓이게 되며, 이 혈관(600)과 혈액(330) 사이에 경계면(630)이 구성된다. ROI중에서 일부를 확대한 확대도(620)가 우측에 도시된다.
도 7는 본 발명의 일실시예에 따른 경동맥의 상대적내막두께(T1), 상대적중막두께(T2) 및 내중막두께(T3)를 분리측정하는 방법을 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 가로는 위치축이고 세로축은 명암을 나타낸다. 또한, 위치는 각각 혈액 부분(700), 혈관부분(710), 조직부분(720)으로 구성된다.
경동맥의 내막, 중막, 외막을 검출하는 방법에는 ROI를 세로축으로 분할하여 1차원적으로 검출하는 방법과, ROI 전체를 2차원적으로 검출하는 방법이 있다. 도 7은 ROI를 세로축으로 분할하여 1차원적으로 검출하는 방법을 도시한다.
ROI를 세로축으로 분할하여 1차원적으로 각 라인에서 내막, 중막, 외막을 검출하는 방법은 스펙클잡음 제거필터를 사용한 후 ROI(x,y)에서 세로축에 평행한 데이터 ROIS(n)으로부터 각 ROIS에 대하여 혈관부분을 분할하여 미분값을 구하여 검출하는 것이다. 여기에서 ROIS(n)은 [ROI(xn,y1), ROI(xn,y2), ROI(xn,y3),..., ROI(xn,y64)]의 데이터들로 구성되며, ROIS(n)에서 n은 1차원 신호의 개수로, x축 픽셀의 개수와 같은 128개의 1차 신호로 분할할 수 있으며, x, y는 ROI에서의 좌표를 의미한다.
도 7은 ROI(x,y)에서 세로축에 평행한 128개의 라인들 중에서 하나를 일실시예로서 나타내고 있는데, 초음파 특성에 의하여 혈액과 내막의 경계면에서 높은 에코가 관측되고 중막과 외막의 경계면에서도 높은 에코가 관측된다
또한, 도 8에서와 같이 혈액(도 3의 330)과 내막시작(도 3의 381) 경계면에서 발생한 내막에코와 내막과 중막 경계면에서 발생한 중막에코가 중첩되어 관측된다. 도 7에 앞에서 정의한 내막시작점(730), 상대적중막시작점(732), 외막시작점(733), 상대적내막두께(T1), 상대적중막두께(T2) 및 내중막두께(T3)를 나타내었다.
본 발명에서는 그 동안 의료현장에서 사용되는 초음파의 축방향 분해능이 내막의 두께보다 두꺼운 이유로 내막과 중막을 합한 두께만 측정해온 한계를 넘어서 내막두께와 중막두께의 비율을 구하는 수단을 제공하고자 한다. 이를 위하여 아래와 같은 실험과 시뮬레이션을 통하여 반경험적(semi-empirical) 방식으로 접근하고자 한다.
도 9는 혈관벽두께 변화에 따른 혈액과 혈관 경계면에서 발생한 에코들의 중첩신호 패턴의 변화를 관찰하기 위하여 0.1mm ~ 1mm 범위에서 0.1 mm 간격으로 다양한 두께의 평판형 인공혈관을 제작하여(좌측 그림) 두께를 측정하고 인공혈액에 삽입시켜서(가운데 그림), 의료용 초음파 장치로써 초음파 영상을 측정하는 장면(우측 그림)이다.
도 10의 좌측 열의 그림들은 인공혈액 속에 상기 도 9에서 제작한 평판형 인공혈관을 삽입시킨 뒤, 초음파로 촬영한 영상들이다. 가운데 열의 그림들은 좌측열의 초음파 영상들로부터 명암(초음파에코의 밝기)을 MATLAB S/W 를 사용하여 분석한 결과이다. 우측 열(1020)은 혈액, 내막, 중막의 밀도와 두께에 대한 반경험적 정보를 가지고, 초음파가 입사했을 경우 에코의 밝기를 MATLAB S/W 로써 시뮬레이션 한 결과이다.
경동맥 혈관의 혈액, 내막, 중막의 밀도와 두께에 대한 반경험적 정보를 얻기 위하여 도 11에서와 같이 전형적인 경동맥초음파 영상을 분석해보면, 혈액의 내강부분은 어둡고 혈액과 내막의 경계면(1130)에서는 이곳에서 발생한 에코와 내막과 중막의 경계면(1100)에서 발생한 에코가 중첩되어 밝은 띠를 이루고(1110), 그 중첩된 에코의 폭이 끝나는 부분부터 나머지 중막부분(1111)은 다시 어둡게 나타나며, 중막과 외막의 경계면에서 다시 밝은 에코가 발생함을 관측할 수 있다.
그 이유는 혈액은 밀도가 비교적 균일하므로 검게 나타나고, 혈액과 내막의 밀도차는 커서 그 경계면에서 밝은 에코가 발생하고 그 에코의 폭은 내막 두께보다 두꺼워 내막과 중막의 경계면에서 발생한 에코가 중첩(1110)되어 관측되며, 중첩된 에코의 폭이 끝나는 부분부터 다시 검게 나타나는 부분은 중첩에코의 폭에 의하여 가려지고 남은 중막으로서 중막 자체의 밀도가 상대적으로 균일하므로 다시 어둡게 나타나며 중막과 외막의 밀도차이가 크므로 다시 밝은 에코가 발생함을 경동맥에 대하여 알려진 해부학적 지식과 의료초음파 공학에 대한 지식에 근거하여 충분히 추론 가능하다.
이러한 반경험적인 대략적 밀도정보와 두께정보에 근거하여 도 10의 우측열(1020)에 혈액과 내막의 밀도차이는 크게, 내막과 중막의 밀도차이는 작게 함으로써 그에 상응하는 내막에코 밝기의 높이는 중막에코의 높이보다 높게 시뮬레이션 하였다. 우측열(1020)의 각 그림에서 위에서부터 혈액, 내막, 중막, 외막의 순서로 녹색실선으로써 반경험적 두께와 밀도를 나타내었고, 초음파가 이러한 순서로 입사시 빨강색 점선은 혈액과 내막의 경계면에서 발생한 에코(내막에코)이며, 녹색 점선은 내막과 중막의 경계면에서 발생한 에코(중막에코)이고, 이들의 중첩된 에코는 청색의 실선으로 나타내었다.
좌측열 위 그림은 인공혈관 시편의 두께가 0.1 mm 인 경우로서 초음파의 종축 분해능(대략 0.3 mm) 보다 얇아서 가운데 열 그림(1010)에서 볼 수 있듯이 혈액과 혈관의 경계면에서 발생한 에코와 혈관과 혈액의 경계면에서 발생한 에코가 매우 인접하여 중첩에코에서 하나의 봉우리를 갖는다.
그런데, 좌측열(1000) 가운데 그림에서와 같이 시편의 두께가 초음파의 분해능과 비슷한 0.3mm가 되면, 가운데 열의 가운데 그림과 같이 하나의 봉우리가 두 개로 갈라지기 시작하며, 좌측열(1000) 아래 그림과 같이 시편의 두께가 0.5 mm 로 증가하면, 가운데 열 아래 그림과 같이 봉우리는 두 개로 완전히 갈라지며 중첩에코의 폭도 더 넓어졌음을 알 수 있다. 여기에서 갈라진 두 개의 봉우리 높이가 비슷한 것은 초음파 비임의 진행방향에서 첫 봉우리는 인공혈액과 인공혈관의 밀도차이에 의하여 발생한 것이고 두 번째 봉우리는 인공혈관과 인공혈액의 밀도차이에 의하여 발생한 것이므로, 초음파가 두 매질을 통과하는 순서는 다르더라도 두 매질의 밀도 비율은 같기 때문이다.
우측열(1020) 위의 시뮬레이션 그림은 내막두께가 초음파 분해능 보다 더 얇은 경우로서 혈액과 내막의 경계면에서 발생한 에코는 내막과 중막의 경계면에서 발생한 에코와 매우 인접하게 중첩되므로 중첩된 에코는 하나의 봉우리를 갖는 형태로 관측된다(아래 시뮬레이션 설명에서 편의상 그림을 시계반대방향으로 90도 돌려서 설명함). 우측열 가운데와 같이 내막의 두께를 조금 더 증가시키면, 내막과 중막 경게면에서 발생한 중막에코가 우측으로 좀더 이동되므로 중첩에코의 우측경사면의 '―' 기울기가 감쇠하기 시작하는 지점(변곡점) 역시 우측으로 좀더 이동되어 관측된다. 우측열 아래와 같이 내막의 두께를 더욱 증가시키면, 중막에코는 더욱 우측으로 이동되고, 중첩에코의 우측경사면의 변곡점도 더욱 우측으로 이동된다.
즉, 도 8에서와 같이, 중첩에코 좌측에서 '＋'방향 기울기의 변곡점(내막시작점)과 중첩에코 우측에서 '-'방향 기울기의 변곡점(중막에코의 정점 이동에 비례하여 이동, 즉, 내막과 중막 경계면의 이동에 비례하여 이동) 사이의 거리는 내막두께에 비례함이 명백하며 이를 '상대적내막두께'로 정의하는 것이 타당하고, 중첩에코의 우측 '―' 방향 기울기의 변곡점과 외막시작점 사이의 두께를 '상대적중막두께'로 정의하는 것이 타당하다.
또한, 내막 두께가 증가함에 따라 중막에코가 우측으로 이동하여 내막에코와 중막에코의 중첩에 의한 중첩에코(1020에서 청색 실선으로 표현)의 밑변의 길이가 증가하게 되는데, 이것은 상기 중첩에코와 인접하여 우측에 발생하는 외막에코의 기여를 제거함으로써 측정 가능하다. 즉, 동일한 내중막 두께 그룹에서 내막과 중막이 중첩된 중막에코의 밑변 길이가 길수록 중막두께에 대한 내막두께의 비율이 크다고 판정할 수 있다.
이때 중첩에코를 구성하는 내막에코와 중막에코 각각은 우측에 각 매질의 불균일로 인한 잔물결 모양의 리플에코들을 갖고 있어서 결과적으로 중첩에코의 좌측은 대략적 가우시안 분포를 따르므로 그 변곡점을 발견하는 것이 어렵지 않은 반면에 우측에서는 이러한 리플에코들에 의하여 가우시안 분포를 따르지 않으므로 변곡점을 발견하는 것이 어렵다. 따라서, 측정 구간의 세로방향 각 라인의 중첩에코들을 평균하면 내막자체와 중막 자체의 불균일로 인한 리플에코들의 발생위치는 랜덤하므로 중첩에코의 우측 경사면에서 리플현상은 사라지는 반면에, 내막과 중막의 경계면에서 발생한 중막에코는 비슷한 위치에서 중첩되어 우측 변곡점은 점점 더 뚜렷해진다. 즉, 측정구간의 중첩에코들의 평균을 취하고 smoothing 처리하면, 중첩에코의 '＋'방향과 '―'방향 각각에서의 변곡점을 좀더 쉽게 발견할 수 있다.
이렇게 하여도 중첩에코의 우측 경사면에서 변곡점을 발견하는 것이 어려울 수 있기 때문에, 본 발명에서는 중첩에코 우측경사면에서 변곡점을 찾을 때 '중첩 에코정점'도 함께 검출한다. 중첩에코정점은 내막시작점과 외막시작점 사이에서 미분값이 0인 위치(극값을 갖는 x 좌표) 이다. 중첩에코 우측경사면에서 변곡점은 중첩에코정점과 외막시작점의 영역내에서 '―'방향의 최대 미분값을 갖는 지점이라 할 수 있다.
그런데. 내막시작라인, 상대적중막시작라인, 외막시작라인을 경동맥 초음파 영상에 시각적으로 나타낼 필요가 있다. 이를 위하여, 세로 방향의 128개 라인들 각각에서 검출한 내막시작점, 중첩에코정점, 상대적중막시작점, 및 외막시작점을 구하여 가로방향으로 서로 상응하는 점들을 연결함으로써 내막시작라인, 중첩에코정점라인, 상대적중막시작라인, 및 외막시작라인을 검출할 수 있다. 검출시 에러가 발생하면 그 ROIS를 삭제하고 좌우 데이터로부터 보간을 하여 각 라인을 검출한다. 경우에 따라 보간을 적용하지 않을 수도 있다.
ROI를 2차원적으로 검출하는 방법은 스펙클잡음 제거 필터를 사용한 후 에지검출 알고리즘들, 예를 들면, 소벨, 프리윗, 로버츠, 가우시안, 라플라시안, 영점교차, 캐니 등을 사용하여 회선 마스크를 이용하여 경계라인을 검출할 수 있다. 상기 회선 마스크는 x축 y축에 대한 미분연산자이다. 이러한 것은 경계라인에서 신호의 변화량이 급격히 변하는 특징을 기반으로 연산될 수 있다. 상기 검출된 결과에서 혈관부분을 세로축 라인들로 분할하고 검출시 에러가 발생한 부분의 세로축 라인은 삭제한다. 정확히 검출된 데이터로부터 외삽과 보간으로 연결하여 내막시작라인과, 외막시작라인을 검출할 수 있다. 경우에 따라 외삽과 보간을 적용하지 않을 수도 있다. 상기 에지 검출 알고리즘을 사용하여 내막시작라인과 외막시작라인을 검출하고 그 사이의 라인들은 상기 1차원적 검출방법과 동일하게 처리할 수 있다.
이와 같이, 경동맥초음파 영상으로부터 상대적중막두께에 대한 상대적내막두께의 비율을 측정할 수 있으며, 의료현장에서 내중막 두께가 일정한 집단 내에서 내막과 중막의 두께 비율을 서로 비교할 수 있다. 이러한 논리에 근거하여 본 발명은 의료현장에서 진단용 초음파로서 의료안전을 위하여 10 MHz 이하를 사용하는 현실에서 그 축방향 분해능이 경동맥 혈관의 내막보다 두껍더라도, 혈액과 내막의 경계면에서 발생한 내막에코와 내막과 중막의 경계면에서 발생한 중막에코에 의한 중첩된 에코의 좌, 우 경사면에서 각각 변곡점을 측정하거나, 상기 내막에코와 중막에코의 중첩에 의한 중첩에코에 기여한 외막에코의 기여분을 제거한 중첩에코의 밑변 길이를 측정함으로써 상대적중막두께에 대한 상대적내막두께의 비율을 제공하는 것이다.

Claims (7)

  1. 선정된(predetermined) 혈관의 내막시작라인, 상대적중막시작라인, 및 외막시작라인을 판독하는 단계;
    상기 내막시작라인, 상기 상대적중막시작라인, 및 상기 외막시작라인을 통해 상기 혈관의 상대적내막두께, 상대적중막두께, 및 내중막두께 중 어느 하나 이상을 측정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혈관은 경동맥(carotid artery)이고, 상기 혈관의 정지영상 또는 동영상은 상기 혈관을 초음파로 촬영한 초음파 정지영상 또는 동영상인 것을 특징으로 하는 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 두께측정영역이 포함하는 상기 혈관의 내막시작라인, 상대적중막시작라인, 및 외막시작라인을 판독하는 단계는,
    상기 혈관 정지영상 또는 동영상의 미분 변화량을 통해 상기 혈관의 내막, 상대적중막, 및 외막에 대한 각 경계점들을 획득하는 단계; 및
    상기 각 경계점들을 연결하여 상기 혈관의 상기 내막시작라인, 상기 상대적중막시작라인, 및 상기 외막시작라인을 생성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 혈관 정지영상의 미분 변화량을 통해 상기 혈관의 내막, 상대적중막, 및 외막에 대한 각 경계점들을 획득하는 단계는,
    선정된 위치에서 상기 혈관의 상기 내막, 상기 상대적중막, 및 상기 외막의 경계점들 중 적어도 하나가 존재하지 않는 경우, 상기 위치의 다른 경계점들을 삭제하거나 존재하지 않는 점의 양쪽 방향에 인접한 경계점들로써 보간하여 상기 각 경계점들을 획득하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 두께측정영역이 포함하는 상기 혈관의 내막시작라인, 상대적중막시작라인, 및 외막시작라인을 판독하는 단계는,
    상기 상대적중막 경계점의 획득이 불가한 경우, 상기 혈관 정지영상 또는 동영상의 미분 변화량을 통해 상기 혈관의 중첩에코정점을 획득하는 단계; 및
    상기 중첩에코정점을 통해 상기 상대적중막 경계점을 추정하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 두께측정영역이 포함하는 상기 혈관의 내막시작라인, 상대적중막시작라인, 및 외막시작라인을 판독하는 단계는,
    상기 상대적중막 경계점의 획득이 불가한 경우, 상기 내막에코와 중막에코의 중첩에 의한 중첩에코에 기여한 외막에코의 기여분을 제거한 중첩에코의 밑변 길이를 측정하고 판독하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 내막시작라인, 상기 상대적중막시작라인, 및 상기 외막시작라인을 통해 상기 혈관의 상대적내막두께와 상대적중막두께, 및 내중막두께 중 어느 하나 이상을 측정하는 단계는,
    상기 내막시작라인 및 상기 상대적중막시작라인 사이에 위치하는 상기 혈관 정지영상 또는 동영상의 픽셀 수 및 단위 픽셀 사이즈를 통해 상기 상대적내막두께를 측정하는 단계;
    상기 상대적중막시작라인 및 상기 외막시작라인 사이에 위치하는 상기 혈관 정지영상의 픽셀 수 및 단위 픽셀 사이즈를 통해 상기 상대적중막두께를 측정하는 단계;
    상기 내막시작라인 및 상기 외막시작라인 사이에 위치하는 상기 혈관 정지영상의 픽셀 수 및 단위 픽셀 사이즈를 통해 상기 내중막두께를 측정하는 단계; 및
    상기 상대적내막두께와 상대적중막두께로부터 혈관의 중막두께에 대한 내막두께의 비율을 측정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상을 이용한 경동맥 혈관의 내막두께와 중막두께의 비율 측정방법.
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