WO2013133484A1 - 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템 및 그 방법 - Google Patents

비침습적 초음파 방광내압 측정시스템 및 그 방법 Download PDF

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WO2013133484A1
WO2013133484A1 PCT/KR2012/005071 KR2012005071W WO2013133484A1 WO 2013133484 A1 WO2013133484 A1 WO 2013133484A1 KR 2012005071 W KR2012005071 W KR 2012005071W WO 2013133484 A1 WO2013133484 A1 WO 2013133484A1
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WO
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bladder
ultrasonic
internal pressure
ultrasound
excitation
Prior art date
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PCT/KR2012/005071
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English (en)
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Inventor
최민주
강관석
조성찬
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제주대학교 산학협력단
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Publication date
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/20—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons for measuring urological functions restricted to the evaluation of the urinary system
    • A61B5/202—Assessing bladder functions, e.g. incontinence assessment
    • A61B5/205—Determining bladder or urethral pressure
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/13—Tomography
    • A61B8/14—Echo-tomography
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/03—Detecting, measuring or recording fluid pressure within the body other than blood pressure, e.g. cerebral pressure; Measuring pressure in body tissues or organs
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/04—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by acoustic means
    • G01L11/06—Ultrasonic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes

Definitions

  • the present invention relates to a non-invasive bladder pressure measurement system, and more particularly to the dynamic characteristics of the bubbles generated in the bladder by high amplitud focused ultlrasonic short pulse (hereinafter referred to as 'HAFUSP')
  • the present invention relates to an ultrasonic urinary bladder internal pressure monitor (hereinafter referred to as 'uBiPM') and a method for non-invasive measurement of pressure in the bladder (hereinafter, referred to as 'bladder internal pressure').
  • bladder internal pressure is affected by surrounding bladder and urination-related diseases or various external factors, such as urinary incontinence, urination disorders, bladder outlet obstruction, multiple system atrophy (MSA), hyperreflective bladder It is very important in the diagnosis and treatment of diseases related to urinary bladder and urination, such as detrusor hyperreflexia (DH).
  • diseases related to urinary bladder and urination such as detrusor hyperreflexia (DH).
  • the bladder internal pressure is usually measured by an invasive method of inserting a catheter or transurethral catheter with a pressure transducer such as a pressure sensor into the bladder through the urethra of the subject.
  • the invasive bladder pressure measurement method measures the bladder internal pressure by inserting a pressure transducer directly into the bladder, so that the bladder internal pressure can be accurately measured.
  • the bladder tripod is stimulated with the end of the urinary catheter. If there is a problem that may cause pain of the subject or complications such as bladder contraction, wound, infection.
  • the examinee may feel a psychological burden on the test due to the specificity of the test site.
  • the examiner in order to insert the urethral catheter through the urethra and determine the location of the bladder of the patient, the examiner must directly touch the test site of the examinee with his or her hand, thereby inducing the examinee's shame.
  • the examinee since the examiner must wait by the examinee to check the test results, the examinee is violated privacy for a long time.
  • a method using an external condom catheter and an method using an inflatable penile cuff have been developed and used.
  • the use of an external condom catheter creates an isovolumetric condition in which the inside of the bladder, urethra, and condom are united in a closed space by placing a condom on the penis and then urinating, measuring pressure in the condom.
  • a pediatric blood pressure monitor is placed on the middle part of the urethra to estimate urinary bladder pressure by measuring urination rate while repeating contraction and relaxation during urination.
  • these non-invasive methods are limited in that they are applicable only to men and can only be measured upon urination.
  • these methods also require the examiner to directly touch the penis, such as the urethra of the examinee, the problem of the examinee feeling psychological burden and the privacy of the examinee remain.
  • the present invention has been made to solve the above problems, non-invasive measurement by using the dynamic characteristics of bubbles generated in the bladder by a strong ultrasonic pulse without inserting the urethral catheter in the bladder when measuring the bladder internal pressure
  • An object of the present invention is to provide an ultrasonic bladder pressure measuring system (uBiPM) and a method thereof.
  • Still another object of the present invention is to provide a non-invasive ultrasonic bladder pressure measurement system (uBiPM) and a method for easily measuring bladder internal pressure without limitations such as gender and measurement time.
  • uBiPM non-invasive ultrasonic bladder pressure measurement system
  • the non-invasive ultrasonic bladder pressure measurement system from the abdominal portion outside the bladder to the inside of the bladder to induce the generation of bubbles by cavitation phenomenon in the bladder
  • An ultrasound ultrasound transducer for irradiating ultrasound ultrasound;
  • An ultrasonic probe to transmit a diagnostic ultrasonic pulse (DUP) to receive a dynamic state of bubbles generated in the bladder as backscattered ultrasonic signals;
  • a signal / image acquisition and analysis unit configured to extract dynamic characteristic variables by analyzing dynamic characteristics of bubbles generated in the bladder from an ultrasonic signal or an image received by the ultrasonic probe;
  • a bladder internal pressure estimator for estimating bladder internal pressure using the extracted dynamic characteristics of the bubble.
  • the non-invasive ultrasonic bladder pressure measurement system may further include a calibration unit that performs a calibration process to obtain correlation information between the bladder internal pressure and the dynamic characteristic variable of the bubble required for estimating the absolute value of the bladder internal pressure.
  • the calibration process may be performed by measuring the value of the dynamic variable for the bubble group generated by irradiating the excitation ultrasound to the reference pressure chamber to simulate the bladder.
  • the bladder internal pressure estimator may estimate the absolute value of the bladder internal pressure based on the correlation information between the obtained bladder internal pressure and the bubble dynamics variable.
  • the excitation ultrasonic transducer irradiates focused ultrasound, preferably a high amplitud focused ultlrasonic short pulse (HAFUSP), which can selectively generate sufficient bubbles in the center of the bladder that can be detected by an ultrasound probe. It may be composed of an electromagnetic, electro-hydraulic, or piezo-ceramic shock wave converter.
  • the driving condition may include a condition in which the ultrasonic frequency is 1 MHz or less and the maximum pressure is 5 MPa or more, or more importantly, the minimum pressure (maximum sound pressure) is -3 MPa or less.
  • the excitation ultrasonic transducer can be driven to irradiate pulsed ultrasonic waves with a short pulse width (eg within 10 cycles) to minimize acoustic flow.
  • HAFUSP having such characteristics is often formed as an ultrasonic shock pulse (hereinafter referred to as USP) because an impact surface is formed on the wavefront during propagation to the center of the bladder.
  • the ultrasound transducer may include a transducer that generates a high intensity focused ultrasound (HIFU) comprised of a single ultrasound transducer or multiple ultrasound transducers.
  • HIFU high intensity focused ultrasound
  • the ultrasonic probe includes an A-mode or B-mode ultrasonic probe, and may be driven by a pulser to transmit diagnostic ultrasonic pulses to the bubble group and receive ultrasonic backscatter signals (UBS) that are scattered back from the bubbles.
  • B-mode ultrasonic probe is composed of a plurality of A-mode ultrasonic transducer in the form of an array, it can be used to obtain a hyper-echogenic ultrasonic image (hyper-echogenic ultrasonic image) for the bubble group.
  • the excitation ultrasound transducer and the ultrasound probe may be configured as a single ultrasound conversion module so that the excitation ultrasound may be focused at the center of the bladder and the diagnostic ultrasound pulse may also pass through the focus of the excitation ultrasound.
  • an ultrasonic probe may be disposed in the center of the excitation ultrasonic transducer.
  • the single ultrasonic conversion module may comprise a cover formed of a material which is arranged to surround the front part and which is advantageous for contact with the skin and which has excellent acoustic transmission properties, and an ultrasonic coupling gel or liquid filled in the cover.
  • the ultrasound signal / image acquisition and analysis unit may estimate the bladder internal pressure by analyzing the dynamic characteristics of the bubble from the B-mode image of the back scattered ultrasound signal or the bubble group in the bubble group detected by the ultrasound probe.
  • the non-invasive ultrasonic bladder pressure measuring system of the present invention is a display unit for displaying the dynamic characteristics of the bubbles and the estimated bladder internal pressure, or providing an input window for inputting various settings and commands required for operation through a user interface, and It may further include a control unit connected to all the above components or functions to comprehensively control the non-invasive ultrasonic bladder pressure measurement system (uBiPM) of the present invention.
  • uBiPM non-invasive ultrasonic bladder pressure measurement system
  • the non-invasive ultrasonic bladder pressure measuring method comprising: irradiating the ultrasonic wave for excitation into the bladder to induce the generation of bubbles in the bladder; Receiving an ultrasonic signal as a dynamic state of bubbles generated in the bladder by ultrasonic waves; And estimating bladder internal pressure by analyzing dynamic characteristics of bubbles generated in the bladder by using the received ultrasonic signal.
  • the non-invasive ultrasonic bladder pressure measuring method further includes performing a calibration process to secure correlation information between bladder internal pressure and the dynamic characteristic variable of the bubble, and estimating the bladder internal pressure includes the obtained bladder pressure and the dynamics of the bubble.
  • the method may include estimating an absolute value of the bladder internal pressure based on correlation information with the characteristic variable.
  • the bladder is irradiated with ultrasonic waves from the abdomen outside the bladder to the inside of the bladder, and the dynamic characteristics of bubbles generated in the bladder by the irradiated ultrasound are analyzed. Measure the internal pressure.
  • the urethral catheter is not inserted into the bladder as in the conventional invasive measurement method, the urinary catheter is inserted into the bladder, thereby causing pain or complications such as bladder contraction, wound, and infection.
  • the bladder internal pressure can be measured without causing a problem invading the privacy of the subject.
  • bladder internal pressure when measuring bladder internal pressure, condoms or pediatric blood pressure monitors are not covered on the penis, such as the urethra, as in the conventional non-invasive measurement method. Bladder internal pressure can be measured simply and noninvasively.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating an ultrasonic bladder pressure measuring system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2A and 2B illustrate an electromagnetic USP transducer / B-mode ultrasonic array probe using a solenoid coil of an ultrasonic conversion module actually manufactured according to the ultrasonic bladder pressure measuring system according to the exemplary embodiment shown in FIG. 1. And photographs each illustrating the drive device;
  • 3A, 3B and 3C illustrate the backscattering signal g (t) reflected from bubbles acquired at 200 ms intervals by the A-mode ultrasound probe when the USP is irradiated into the bladder;
  • FIG. 4 is a photograph illustrating an ultrasound B-mode image obtained before (top) and after (bottom) USP irradiation using a B-mode ultrasound probe;
  • FIG. 5 is a photograph illustrating an ultrasound B-mode image capturing a focal region mainly generated by a bubble group indicated by part A in FIG. 4 after subtracting a background image from an ultrasound image after USP irradiation of FIG. 4. ;
  • FIG. 6 is a graph defining the dynamic variables G max , T x% , GAI of bubbles in a G (t) signal;
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a pressure chamber system for calibration for calibrating an ultrasonic bladder pressure measuring system according to an embodiment shown in FIG. 1;
  • FIG. 8 is a flow chart illustrating a process for calibrating an ultrasonic bladder pressure measurement system using the calibration pressure chamber system shown in FIG. 7;
  • 9 to 11 are dynamic characteristics parameters of bubbles (X) measured using ultrasonic B-mode images obtained by varying bladder internal pressure (P) from atmospheric pressure to 120 mmHg at 20 mmHg intervals using an experimental uBiPM including a bladder pressure chamber.
  • FIG. 12 is a functional block diagram illustrating an experimental uBiPM using USP and B-mode ultrasound images, including the pressure chamber system for calibration shown in FIG.
  • FIG. 13 is a photograph showing an example of actually manufacturing the experimental uBiPM shown in FIG. 12; FIG.
  • FIG. 14 is a photograph of an experimental pressure chamber system actually fabricated of the pressure chamber system for calibration shown in FIG. 7; FIG.
  • FIG. 15 is a graph illustrating an example of a typical USP waveform generated in the experimental uBiPM of FIG. 13 measured using an optical hydrophone.
  • FIG. 16 show the sum G of pixel values over time for the ultrasonic B-mode image of the bubble group of FIG. 5 generated inside the bladder by the USP. graph illustrating the value of (t);
  • FIG. 17 is a flowchart of estimating bladder internal pressure when the ultrasound probe is an A-mode ultrasound probe in the ultrasound bladder pressure measuring system according to the exemplary embodiment shown in FIG. 1; FIG.
  • FIG. 18 is a flowchart of estimating bladder internal pressure when the ultrasound probe is a B-mode ultrasound array probe in the ultrasound bladder pressure measuring system according to the exemplary embodiment shown in FIG. 1;
  • FIG. 19 is a flow chart illustrating operation of the ultrasound bladder pressure measurement system according to the embodiment shown in FIG. 1;
  • FIG. 20 is a block diagram illustrating an ultrasonic bladder pressure measuring system according to a modified embodiment in which the ultrasonic bladder pressure measuring system shown in FIG. 1 is partially modified.
  • USP focused ultrasonic shock pulse
  • the non-invasive ultrasonic bladder pressure measuring system 1 of the present invention senses the dynamic characteristics of bubbles generated by the USP irradiated to the bladder center F using the ultrasonic probe 20. This is for non-invasive measurement of bladder internal pressure, and includes an ultrasonic conversion module 3 and the main body (5).
  • the ultrasonic conversion module 3 irradiates USP from the abdominal portion outside the bladder to the bladder inner central portion F and backscatters from the bubble group so as to induce bubbles generated by the cavitation phenomenon in the bladder when measuring the bladder internal pressure. t)).
  • the ultrasonic conversion module 1 can be formed as a single module, the USP transducer 10 for the excitation, the USP concentrator 15, the ultrasonic probe 20, the ultrasonic coupling gel / liquid 16 and the cover It can be composed of (17).
  • the housing 12 of the ultrasonic transducer module 3 is wrapped in a cover 17 in which the upper front part is in contact with the skin and the lower part has a cylindrical structure so that the examiner can easily grasp it by hand.
  • the ultrasonic probe 20 is installed at the inner center of the USP transducer 10 for excitation, and coincides with the central axis of the USP transducer 10 for the excitation, so that a diagnostic ultrasonic pulse (DUP) is mainly used for bubbles. Pass through the developing USP focal region.
  • DUP diagnostic ultrasonic pulse
  • the USP transducer 10 which creates bubbles in the bladder, operates on the same or similar principle as the shock wave generator used in the shock wave therapy device (ESWL or ESWT).
  • This USP transducer can be used as a shock wave generator of electromagnetic shock wave generation method using a solenoid coil mainly used in extracorporeal shock wave treatment system (Min Joo Choi, Sung Chan Cho, Dong-Guk Paeng, Kang Il Lee and Andrew Coleman (2012) Thickness Effects of the Metallic and Insulating Membranes of a Cylindrical Electromagnetic Shock Wave Transducer.Journal of the Korean Physical Society.59 (6), 3583-3587).
  • the USP transducer 10 may use an electrohydrodynamic or piezo ceramic type shock wave generator.
  • the focuser 15 of the ultrasonic transducer module 3 focuses the generated USP to the focal point F.
  • the focal point F of the focuser 15 causes the cover 17 to approximately coincide with the center of the bladder interior when it contacts the abdominal portion outside the bladder to measure bladder internal pressure.
  • the focal length from the top of the cover 17 of the ultrasound transducer module 3 in contact with the abdominal portion outside the bladder to the focal point F is the distance between the center of the bladder outside the abdominal portion of the human body. In view of this, it can be made into the range of 20-50 mm.
  • the USP converter driver 30 preferably drives the USP converter so that P- is -3 MPa or less at a frequency of 1 MHz or less.
  • excitation ultrasonic waves having a short pulse length.
  • Ultrasonic waves generated by the USP converter 10 of the present invention may be referred to as ideal excitation ultrasonic waves, which can be realistically implemented in uBiPM since the pulse length is very short, about one cycle.
  • the diagnostic ultrasound probe 20 that detects a dynamic state of bubbles generated in the bladder by ultrasonic waves as an ultrasound signal may use an A-mode probe or a B-mode ultrasound array probe including a plurality of A-mode probes in an array form.
  • the ultrasonic probe 20 connects the connection line such that the DUP propagation axis generated in the ultrasonic probe 20 is coaxial with the axis passing through the focal point F of the USP so that the ultrasonic probe 20 is located at the internal space center axis of the USP transducer 10.
  • FIGS. 2 (a) and 2 (b) are photographs illustrating the electromagnetic USP converter 10 and its driving device, respectively, using the solenoid coil of the ultrasonic conversion module 3 actually manufactured.
  • the B-mode ultrasonic array probe is mounted at the center of the USP transducer 10, and if necessary, the A-mode ultrasonic probe may be installed in the same size and structure.
  • the ultrasonic probe When using the A-mode ultrasonic probe, the ultrasonic probe is driven by a pulser (not shown) in the ultrasonic probe driver 40 to generate a diagnostic ultrasonic pulse (DUP) toward the bubble group in the bladder, and is scattered back from the bubbles.
  • the returned ultrasonic signal is received through a receiver (not shown) of the signal / image acquisition and processing unit 50.
  • the received signal is subjected to a preprocessing process including filtering to obtain a back-scattered signal (g (t)).
  • FIG. 3A, 3B and 3C illustrate the backscattering signal g (t) reflected from bubbles acquired at 200 ms intervals by the A-mode ultrasound probe when the USP is irradiated into the bladder.
  • the bladder internal pressure increases to 0 mmHg (FIG. 3A), 40 mmHg (FIG. 3B), and 100 mmHg (FIG. 3C)
  • the magnitude of the signal g (t) decreases rapidly.
  • a plurality of A-mode scans of a bubble group region are performed by a probe driving device (not shown) in the ultrasonic probe driving unit 40, and a signal / image acquisition and processing unit ( The scan converter in 50) obtains a B-mode image of a hyper-echogenic image of the bubble group (see FIGS. 4 and 5).
  • the cover 17 is in contact with the skin, and the ultrasonic coupling gel / liquid in the form of a gel or a fluid is used so that the excitation and diagnostic ultrasound can be delivered without loss through the skin when measuring bladder pressure. 16) wrap around the front of the ultrasonic transducer module to hold.
  • the cover 17 is formed in the shape of a dome and is fixed to the housing 12 via a retaining ring 18 at its peripheral edge.
  • the cover 17 has been described as being formed in the shape of a dome, but if the excitation USP transducer 10 is not formed to protrude from the center of the collector 15 may be formed in a flat shape.
  • the cover 17 is formed as thin as possible in a range in which the required stiffness is maintained by using a material having a good ultrasonic permeability and a material similar in acoustic impedance so that ultrasonic waves can pass through well.
  • the cover 17 may be formed of a flexible material to adjust the depth of focus of the USP transducer 10 based on the skin as needed.
  • the main body 5 includes a USP converter driver 30, an ultrasonic probe driver 40, a signal / image acquisition and processing unit 50, a bladder internal pressure estimation unit 60, a display unit 70, and a controller. 80.
  • the USP converter driver 30 is a pulse wave power supply for driving the shock wave generator, that is, the USP converter 10, and the USP converter through a user interface 95 such as an input device such as a mouse, keyboard, or button connected to the controller 80. Electrical energy (eg, maximum voltage) to be supplied to 10 can be set.
  • the ultrasonic probe driver 40 has a pulser function for driving the ultrasonic probe 20 in a pulse echo mode.
  • the ultrasonic probe 20 When the ultrasonic probe 20 is an A-mode ultrasonic probe, the ultrasonic probe 20 driven in the pulse echo mode by the pulser in the ultrasonic probe driver 40 transmits a DUP toward the bubble group in the bladder to receive an echo signal. do.
  • the echo signal received by the ultrasonic probe 20 is received by the receiver in the signal / image acquisition and processing unit 50, and noise is generated through an appropriate preprocessing process through a preamplifier and a filter built in the signal / image acquisition and processing unit 50.
  • the ratio of signal to signal is converted into an improved backscattered signal g (t).
  • a probe driving device in the ultrasonic probe driver 40 that is, a plurality of pulsers and a receiver, operates simultaneously to obtain a plurality of A-mode scan signals.
  • the signal / image acquisition and conversion into the ultrasound B-mode image g (i, j) is performed by a scan converter in the processing unit 50.
  • G (t) and g (i, j) thus obtained are the following equations (1) and g (), which are time integrals of g (t) in the physical quantity close to the degree of bubble generation in the signal / image acquisition and processing unit 50, respectively. It is converted into G (to) at the measurement time point to by the following equation (2) expressed as the sum of the pixel values of i, j).
  • the signal / image acquisition and processing unit 50 converts g (t) or g (i, j) repeatedly measured at regular time intervals until the bubbles disappear. Is repeated to calculate G (t) representing the value of G over time, and as shown in FIG. 6, the following three characteristic variables, the maximum value (G max ) and the bubble of The duration (T x% ), and the generation intensity (GAI) of the bubbles are obtained.
  • T x%) time at which G (t) is down to the level of x% of G max
  • G (t) the time taken to degrade to x% of the maximum value G max
  • the bubble's duration (referred to as T max until G (t) drops to the ambient background noise level is the bubble's decay time)
  • Time integral of G (t) The average intensity of bubbles produced by irradiation of excitation ultrasonic waves in physical quantities given in the form of integrals over time of G (t).
  • the bladder internal pressure estimator 60 obtains a correlation database between the bladder internal pressure and the dynamic characteristic variable which is secured in advance through the above-described three dynamic characteristics of the three bubbles and the calibration process and stored in a memory (not shown) of the controller 80. Finally, the bladder internal pressure is estimated.
  • the calibration process uses an internal pressure P of the reference pressure chamber 110 using a pressure chamber system for calibration including a reference pressure chamber 110 simulating a bladder with the pressure sensor 120 shown in FIG. 7.
  • a pressure chamber system for calibration including a reference pressure chamber 110 simulating a bladder with the pressure sensor 120 shown in FIG. 7.
  • the process of this calibration process is illustrated in FIG. 8.
  • the calibration process is performed by the calibration unit 85 of the control unit 80 (or optionally the calibration function of the bladder pressure measuring program 82 described later) before the manufacturer releases the product.
  • an interpolation method and an approximation method using a least squares method may be used.
  • the method using the interpolation method finds X (i) of the calibration database that is closest to the X value of the characteristic variable measured by uBiPM, retrieves P (i) corresponding to this value, and uses the following formula (3) to determine the absolute value of the bladder internal pressure.
  • an approximation equation for determining the bladder internal pressure (P) is obtained first using the least square method using a calibration database as an independent variable.
  • the absolute value of bladder internal pressure is estimated by entering the value of the characteristic variable measured by uBiPM in this equation.
  • FIGS. 9 through 11 illustrate a reference pressure chamber using an experimental uBiPM that includes a pressure chamber system for calibration shown in FIG. 12 and FIG.
  • the change in the dynamic characteristics variable (X) (G max , T x% , GAI) of the bubble calculated using the ultrasonic B-mode image obtained by varying the internal pressure (P) of 110) from atmospheric pressure to 120 mmHg at 20 mmHg intervals is shown.
  • the dynamic variable X of bubbles was found to decrease exponentially as the internal pressure P increased. If this is modeled mathematically it can be represented by the following equation (4).
  • A, B, and C are coefficients obtained by the least square method using experimental data.
  • the bladder internal pressure can be simply calculated by the following equation (5).
  • Table 2 shows an example of the value of the coefficient of the approximation equation (4) calculated using the least square method for the measured values shown in Figs.
  • FIG. 17 is a flowchart for estimating bladder internal pressure when the ultrasound probe 20 is an A-mode ultrasound probe
  • FIG. 18 is a flowchart for estimating bladder internal pressure when the ultrasound probe 20 is a B-mode ultrasound array probe.
  • FIG. 13 is a photograph of an experimental uBiPM actually manufactured
  • FIG. 14 is a photograph of important components included in a calibration pressure chamber system of an experimental uBiPM.
  • the USP transducer was used to examine the USP with a driving voltage of 18 kV and the internal pressure P of the reference pressure chamber 110 was changed to 0 mmHg, 30 mmHg, and 60 mmHg while the ultrasonic B-mode was used. The image was measured.
  • FIG. 15 shows a USP waveform irradiated for bubble generation at a driving voltage of 18 kV and a driving frequency of 1 MHz by a USP converter in an experimental uBiPM.
  • the USP waveform has a sound pressure value of -10 MPa or less so that bubbles are sufficiently generated, the center frequency is low as 0.2 MHz, and the pulse length minimizes the sound flow by about 1 cycle. It has the characteristic that there is.
  • FIG. 4 is a photograph illustrating an ultrasound B-mode image obtained before (top) and after (bottom) USP irradiation using a B-mode ultrasound probe.
  • the ultrasound image was obtained while the bladder internal pressure was increased to 0 mmHg (left), 30 mmHg (middle), and 60 mmHg (right).
  • FIG. 5 is a photograph illustrating an ultrasound B-mode image capturing a focus region in which a bubble group is mainly generated after subtracting a background image from an ultrasound image after USP irradiation of FIG. 4.
  • the images show cases with bladder internal pressure of 0 mmHg (left), 30 mmHg (middle) and 60 mmHg (right).
  • FIG. 16 shows G (t) obtained by calculating the sum G of pixel values with time using the above-described equation (2) for the ultrasonic B-mode image of the bubble group generated inside the bladder by the USP (FIG. 5). ) (The bladder internal pressure: 0 mmHg (left (a)), 30 mmHg (middle (b)), 60 mmHg (right (c)).
  • the control part 80 is comprised with the main body of a laptop computer or a personal computer, and contains the bladder internal pressure measurement program 82 required for measuring bladder internal pressure.
  • the bladder pressure measuring program 82 inputs various information for inputting necessary information and setting values, measurement start / end commands for operating the ultrasound transducer 10, etc. through a user interface 95 such as a mouse and a keyboard. Setting of the window, the ultrasonic driving condition, the ultrasonic signal g (t) received through the ultrasonic probe 20, the image g (i, j), the dynamic characteristics of the bubbles G (t), G max , GAI, The estimated bladder internal pressure and the like, including T x% ), are displayed on the display unit 70.
  • the bladder pressure measurement program 82 may be configured to include a calibration function that replaces the function of the calibration unit 85 when the control unit 8 is configured not to include the calibration unit 85.
  • the controller 80 has been described as being composed of a main body of a laptop computer or a personal computer. Instead, the setting necessary for measuring the bladder internal pressure and the measurement start / end command for operating / stopping the ultrasonic conversion module 1 are instead performed. It may also be configured as a control box (not shown) including a variety of buttons for inputting.
  • the control unit 80 generates a USP by driving the USP converter 10 by the USP converter driving unit 30 according to the input measurement start command, and generates bubbles in the bladder from the ultrasonic signal received by the ultrasonic probe 20. Analyze dynamic characteristics to estimate bladder internal pressure.
  • the controller 80 is configured to acquire and process ultrasonic signals / images, bubble dynamic characteristic detection, bladder internal pressure, which are formed in a hardware form such as ASIC or in a software form included in a bladder pressure measuring program. Contains the algorithms needed for the estimation work.
  • the display unit 70 displays an ultrasonic signal and an image of the bubble group, dynamic variables of the bubble, and measured bladder internal pressure P under the control of the controller 80.
  • the display unit 70 may be configured as a monitor connected to a laptop computer or a personal computer having the controller 80 as a main body.
  • the display unit 70 is configured as a signal converter such as an oscilloscope for converting and displaying the electrical signal (voltage) output from the bladder withstand voltage estimator 60 into bladder withstand pressure. Can be.
  • the display unit 70 is configured as a signal converter, the displayed bladder internal pressure is displayed in proportion to the electric signal, and the display method displays the pressure numerically (digitally) or graphically (analog type).
  • the inspector turns on the power of the ultrasonic bladder pressure measuring system 1, and then the ultrasonic transducer module 3 so that the focal point F of the excitation transducer 10 can be located at the center of the bladder of the examinee.
  • the cover 17 is brought into contact with the abdominal portion outside the bladder of the subject.
  • the inspector inputs a measurement start command for operating the excitation transducer 10 through a user interface 95 such as an input device such as a mouse or a keyboard in the bladder pressure measuring program displayed on the monitor of the display unit 70. .
  • control unit 80 drives the excitation transducer 10 through the excitation transducer driver 30 as described above to induce air bubbles due to cavitation in the bladder from the abdominal portion outside the bladder to the inside of the bladder. Irradiate the excitation ultrasound (S10).
  • the controller 80 controls the pulser of the ultrasonic probe driver 40 to transmit the ultrasonic signal to the bubbles generated in the bladder and to receive the ultrasonic signals reflected from the bubbles (S20). ).
  • the ultrasonic signal received by the ultrasonic probe 20 is output to the signal / image acquisition and processing unit 50.
  • the signal / image acquisition and processing unit 50 is an A-mode ultrasonic signal g (t) scattered back from the bubble group from the ultrasonic signal received from the ultrasonic probe 20 or
  • the G value is calculated from the B-mode image g (i, j). This process is repeated until the bubble group disappears, calculates G (t), extracts the value of the dynamic variables (X) (G max , T x% , GAI) of the bubble, and transmits it to the bladder internal pressure estimator 60. do.
  • the bladder internal pressure estimator 60 obtains the value of the dynamic characteristic variable X of the received bubble and the dynamic characteristic variable X which is secured in advance through a calibration process (FIG. 8) and is databased and stored in a memory of the controller 80. ) And finally the bladder internal pressure is estimated by using the correlation information between. Bladder internal pressure can be estimated using the above-described interpolation method and the approximation method using the least square method (S30).
  • the controller 80 controls the display unit 70 to display an ultrasonic signal including a hyper echogenic image or a backscattered signal of bubbles, a hyper echogenic image or a bubble of bubbles.
  • the dynamic characteristic variable of, and the estimated bladder internal pressure P are displayed on the display unit 70 (S40).
  • the controller 80 stops the operation of the excitation transducer driver 30 and the ultrasonic probe driver 40.
  • the inspector repeats the above-described operation when additional bladder pressure measurement is required for the same or another subject, and turns off the power of the ultrasonic bladder pressure measuring system (uBiPM) 1 when no additional bladder pressure measurement is required. And end the measurement.
  • uBiPM ultrasonic bladder pressure measuring system
  • the ultrasonic bladder pressure measuring system 1 and the method of the present invention irradiate ultrasonic waves into the bladder from the abdominal portion outside the bladder of the examinee and analyze the dynamic characteristics of bubbles generated in the bladder by the irradiated ultrasonic waves. Analyze and measure bladder internal pressure. Therefore, as in the conventional invasive or non-invasive method of measuring bladder pressure, problems causing pain or complications such as bladder contractions, wounds, infections, or invading the privacy of the examinee, subjects and time points of measurement, respectively, and urination Problems that are limited to time do not occur.
  • FIG. 20 shows the ultrasonic bladder pressure measuring system 1 ′ of the modified embodiment in which the ultrasonic bladder pressure measuring system 1 shown in FIG. 1 is partially modified.
  • the ultrasonic bladder pressure measuring system 1 ' is a single ultrasonic transducer or a plurality of ultrasonic transducers that generate high intensity focused ultrasound (HIFU) for excitation instead of the USP transducer 10 of FIG. It is provided with a HIFU transducer 10 'configured to generate the ultrasonic wave for excitation.
  • HIFU high intensity focused ultrasound
  • the ultrasonic bladder pressure measuring system 1 ′ of the modified embodiment uses the USP transducer driver 30 as in the ultrasonic bladder pressure measuring system 1 shown in FIG. 1 to drive the HIFU transducer 10 ′.
  • the ultrasonic bladder breakdown voltage measurement system shown in FIG. It is the same as 1).
  • the ultrasonic transducer module 3 ' is formed of a single module like the ultrasonic transducer module 3 shown in FIG. 1, and has a housing 12, a HIFU transducer 10', and an A / B-mode ultrasonic probe 20 ').
  • the housing 12 is formed in a cylindrical shape with an open upper side, and the HIFU transducer 10 'and the ultrasonic probe 20' are installed in the inner space.
  • the front part of the ultrasonic transducer module 3 ' is covered with a cover 17 which is in contact with the skin, in which the ultrasonic coupling liquid 16 is filled.
  • the cover 17 may be formed to form a concave surface so that the upper surface is in good contact with the abdominal portion when in contact with the abdominal portion outside the bladder.
  • the lower end of the housing 12 serves as an electrical passage connecting the transducer and the drive through a structure that the inspector can easily grasp by hand.
  • the HIFU transducer driver 30 'generates the excitation ultrasonic wave with the HIFU transducer 10' of the ultrasonic transducer module 3 '.
  • the function generator 32, the power amplifier 34, and the matching network 36 The function generator 32 outputs a driving signal for supplying to the HIFU converter 10 ′ set through the user interface 95 such as an input device such as a mouse, keyboard, or button connected to the controller 80.
  • the power amplifier 34 converts the output drive signal into a high current output signal and outputs it to the HIFU converter 10 'through the matching network 36.
  • the focal length from the top of the cover 17 of the ultrasound transducer module 3 'in contact with the abdominal portion outside the bladder to the focal point F is similar to the ultrasound conversion module 3 shown in FIG. Considering the distance between the center of the bladder outside the abdomen of the human body to have a value in the range of 20 to 50mm.
  • the HIFU transducer 10 ' is preferably driven at a frequency of 1 MHz or less and a minimum sound pressure of -2 MPa or less so that bubbles are generated well, and the length of the pulse is limited to within 10 cycles to reduce the sound flow effect.
  • the ultrasonic probe 20 receives an ultrasonic signal as a dynamic state of bubbles generated in the bladder by ultrasonic waves, and the front end of the inner space of the housing 12 is projected so as to protrude from the center upper surface of the HIFU transducer 10'. It is mounted at the center and connected to the ultrasonic probe driver 40 of the main body 5 'through a connection line.
  • the ultrasonic probe 20 ' is installed at the center of the HIFU transducer 10' such that the sensing axis is coaxially disposed with the axis passing through the focus of the HIFU transducer 10 '.
  • the ultrasonic probe 20 ′ receives an ultrasonic signal including a hyper echogenic image A of bubbles as illustrated in FIGS. 4 and 5.

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Abstract

초음파를 이용하여 방광 내압을 비침습적으로 측정할 수 있는 초음파 방광 내압 측정 시스템 및 그 방법이 개시된다. 비 침습적 초음파 방광 내압 측정시스템은, 방광 내에 캐비테이션 기포 발생을 유도하도록 방광 외측의 복부 부분에서 방광 내부로 가진용 초음파를 조사하는 가진용 초음파 변환기; 진단용 초음파 펄스를 송신하여 방광 내에 발생된 기포들의 동적 상태를 후방 산란 초음파 신호로 수신하는 초음파 프로브; 기포가 소멸할 때까지 초음파 프로브에 의해 수신된 초음파 신호 또는 영상으로부터 방광 내에 발생된 기포들의 동적 특성을 분석하여 동 특성 변수의 값을 추출하는 초음파 신호/영상 입수 및 분석부; 추출된 기포의 동특성 변수를 이용하여 방광내압을 추정하는 방광내압 추정부; 방광내압 추정에 필요한 방광내압과 기포군의 동특성 변수와의 상관성 정보를 구축하는 캘리브레션부: 및 캘리브레이션에 필요한 기준 압력 챔버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

비침습적 초음파 방광내압 측정시스템 및 그 방법
본 발명은 비침습적 방광내압 측정시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고압력의 짧은 집속형 초음파 펄스(high amplitud focused ultlrasonic short pulse)(이하 'HAFUSP'라함)에 의해 방광 내에 발생된 기포의 동적 특성을 이용하여 방광 내 압력(이하, '방광내압'이라 함)을 비침습적으로 측정할 수 있는 초음파 방광내압 측정시스템(ultrasonic urinary bladder internal pressure monitor, 이하'uBiPM'이라 함) 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 방광내압은 방광 주변 및 배뇨와 관련된 질환 또는 다양한 외적요인의 영향을 받으므로, 요실금, 배뇨 장애, 방광출구 폐색(bladder outlet obstruction), 소뇌 위축증(multiple system atrophy; MSA), 과반사성 방광(detrusor hyperreflexia; DH) 등과 같은 방광 주변 및 배뇨와 관련된 질환의 진단과 치료효과의 평가에 있어서 매우 중요하다.
이러한 방광내압은 통상 검사가 필요할 때 압력센서와 같은 압력변환기가 부착된 도뇨관 또는 경요도 카테터(transurethral catheter)를 피검사자의 요도를 통해 방광 내에 삽입하는 침습적 방법으로 측정된다.
그러나, 침습적 방광내압 측정방법은 압력변환기를 방광 내에 직접 삽입하여 방광내압을 측정하므로 방광내압을 정확하게 측정할 수는 있지만, 경요도 카테터를 방광 내에 삽입할 때 방광 삼각부를 경요도 카테터의 끝으로 자극하는 경우 피검사자의 고통을 야기하거나 방광수축, 상처, 감염 등과 같은 합병증을 유발시킬 수 있는 문제점이 있다.
또한, 피검사자는 검사부위의 특수성으로 인해 검사에 대해 심리적 부담을 느낄 수 있다. 특히, 요도를 통해 경요도 카테터를 삽입하고 환자의 방광의 위치를 파악하기 위해 검사자가 직접 손으로 피검사자의 검사부위를 만져야하기 때문에, 피검사자의 수치심을 유발시키는 등 피검사자의 프라이버시가 침해될 수밖에 없다. 또한, 검사결과를 체크하기 위해 검사자가 피검사자 곁에 대기하고 있어야 하므로, 피검사자는 장시간 동안 프라이버시가 침해된다.
이와 같은 침습적 측정방법의 문제점을 해결하기 위해, 비침습적 측정방법으로서, 외부 콘돔 카테터(external comdom catheter)를 이용하는 방법과 팽창식 음경 커프(inflatable penile cuff)를 이용하는 방법이 개발되어 사용되고 있다. 외부 콘돔 카테터를 이용하는 방법은 음경에 콘돔을 씌운 다음 배뇨를 시키는 것에 의해 폐쇄된 공간 내에서 방광, 요도, 및 콘돔의 내부가 일체가 되는 등용조건(isovolumetric condition)을 만들고, 이때 콘돔 내의 압력을 측정하여 방광내압을 추정한다. 팽창식 음경 커프를 이용하는 방법은 요도의 중간부위에 소아용 혈압계를 씌워 배뇨시 수축과 이완을 반복하면서 배뇨율을 측정하여 방광내압을 추정한다.
하지만, 이러한 비침습적 방법들은 남성에게만 적용가능하고 배뇨시에만 측정할 수 있는 등 제한적인 문제점이 있다. 또한, 이 방법들 역시 검사자가 직접 손으로 피검사자의 요도 등의 음경부위를 만져야하기 때문에 피검사자가 검사에 대해 심리적 부담을 느끼는 문제와 피검사자의 프라이버시가 침해되는 문제는 여전히 남아있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 방광내압을 측정할 때 경요도 카테터 등을 방광 내에 삽입하지 않고 강한 초음파 펄스에 의해 방광 내에 발생한 기포의 동적 특성을 이용하여 비침습적으로 측정할 수 있게 한 초음파 방광내압 측정시스템(uBiPM) 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 성별, 측정 시점 등의 제한 없이 간편하게 방광내압을 측정할 수 있는 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템(uBiPM) 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 실시 양태에 따르면, 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템(uBiPM)은, 방광 내에 캐비테이션 현상에 의한 기포 발생을 유도하도록 방광 외측의 복부 부분에서 방광 내부로 가진용 초음파를 조사하는 가진용 초음파 변환기; 진단용 초음파 펄스(diagnostic ultrasonic pulse: DUP)를 송신하여 방광 내에 발생된 기포들의 동적 상태를 후방 산란 초음파 신호로 수신하는 초음파 프로브; 초음파 프로브에 의해 수신된 초음파 신호 또는 영상으로부터 방광 내에 발생된 기포들의 동적 특성을 분석하여 동 특성 변수를 추출하는 신호/영상 입수 및 분석부; 및 추출된 기포의 동특성 변수를 이용하여 방광 내압을 추정하는 방광내압 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
비침습적 초음파 방광내압 측정시스템(uBiPM)은 방광내압의 절대 값을 추정하기 위해 필요한 방광내압과 기포의 동 특성 변수와의 상관성 정보를 확보하기 위한 캘리브레이션 과정을 수행하는 캘리브레이션부를 더 포함할 수 있다. 이때, 캘리브레이션 과정은 방광을 모의하는 기준 압력 챔버에 가진용 초음파를 조사하여 발생된 기포군에 대한 동 특성 변수의 값을 측정하는 것에 의해 수행될 수 있다. 또한, 방광내압 추정부는 확보된 방광내압과 기포의 동 특성 변수와의 상관성 정보를 토대로 방광내압의 절대 값을 추정할 수 있다.
가진용 초음파 변환기는 초음파 프로브로 감지가 가능한 충분한 기포들을 방광 중심부에 선택적으로 발생시킬 수 있는 집속형 초음파, 바람직하게는, 고압력의 짧은 집속형 초음파 펄스(high amplitud focused ultlrasonic short pulse; HAFUSP)를 조사하는 전자기식, 전기수력학적 방식, 또는 피에조 세라믹 방식의 충격파 변환기로 구성될 수 있다. 이때, 구동 조건은 초음파 주파수가 1MHz 이하이고 최대 압력이 5MPa 이상 또는 더 중요하게 최저 압력(최대 음압)이 -3MPa 이하인 조건을 포함할 수 있다. 또한, 가진용 초음파 변환기는 음향 흐름을 최소화하도록 짧은 펄스 폭(예를 들어 10사이클 이내)을 가지는 펄스형 초음파를 조사하도록 구동될 수 있다. 이러한 특성을 가지는 HAFUSP는 방광 중심부로 전파하는 과정에서 파면에 충격면이 형성되므로 종종 초음파 충격 펄스(ultrasonic shock pulse)(이하'USP'라 한다)로 표현될 수 있다.
선택적으로, 초음파 변환기는 단일 초음파 변환 소자 또는 다수의 초음파 변환 소자로 구성된 고강도 집속형 초음파(high intensity focused ultrasound; HIFU)를 발생하는 변환기를 포함할 수 있다.
초음파 프로브는 A-모드 또는 B-모드 초음파 프로브를 포함하며, 펄서에 의해 구동되어 기포군으로 진단용 초음파 펄스를 송신하고 기포들로부터 후방 산란되는 초음파(ultrasonic backscatter signal: UBS)를 수신할 수 있다. B-모드 초음파 프로브는 다수의 A-모드 초음파 변환기를 어레이 형태로 구성한 것으로, 이를 이용하면 기포 군에 대한 초음파 후방 산란 영상(hyper-echogenic ultrasonic image)을 얻을 수 있다.
양호한 실시 예에서, 가진용 초음파 변환기와 초음파 프로브는, 가진용 초음파가 방광의 중심부에 집속되도록 하고 진단용 초음파 펄스 역시 가진용 초음파의 초점을 지날 수 있도록 단일 초음파 변환 모듈로 구성될 수 있다. 이때, 단일 초음파 변환 모듈은, 가진용 초음파 변환기 내부 중심부에 초음파 프로브가 배치될 수 있다. 단일 초음파 변환 모듈은 전면부를 감싸도록 배치되고 피부와 접촉하기에 유리하고 음향학적 투과 특성이 우수한 재료로 형성된 커버, 및 커버 내에 충진된 초음파 커플링 젤 또는 액체를 포함할 수 있다.
초음파 신호/영상 입수 및 분석부는 초음파 프로브로부터 검출된 기포군에서 후방 산란된 초음파 신호 또는 기포 군에 대한 B-모드 영상으로 부터 기포의 동적 특성을 분석하여 방광내압을 추정할 수 있다.
또한, 본 발명의 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템은 기포들의 동적 특성과 추정된 방광내압을 표시하거나, 사용자 인터페이스를 통해 작동에 필요한 각종 설정 및 명령을 입력할 수 있는 입력 창을 제공하는 표시부, 및 상기의 모든 구성 부분 또는 기능과 연결되어 본 발명의 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템(uBiPM)을 종합적으로 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 실시 양태에 따르면, 비침습적 초음파 방광내압 측정방법은, 방광 내에 기포 발생을 유도하도록 방광 내부로 가진용 초음파를 조사하는 단계; 초음파에 의해 방광 내에 발생된 기포들의 동적 상태를 초음파 신호로 수신하는 단계; 및 수신된 초음파 신호를 이용하여 방광 내에 발생된 기포들의 동적 특성을 분석하여 방광내압을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 비침습적 초음파 방광내압 측정방법은 방광내압과 기포의 동 특성 변수와의 상관성 정보를 확보하는 캘리브레이션 과정을 수행하는 단계를 더 포함하며, 방광내압을 추정하는 단계는 확보된 방광내압과 기포의 동 특성 변수와의 상관성 정보를 토대로 방광내압의 절대 값을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템 및 그 방법에 의하면, 방광 외측의 복부 부분에서 방광 내부로 초음파를 조사하고 조사된 초음파에 의해 방광 내에 발생된 기포들의 동적 특성을 분석하여 방광내압을 측정한다.
따라서, 방광내압 측정시 종래의 침습적 측정방법에서와 같이 경요도 카테터 등을 방광 내에 삽입하지 않으므로, 경요도 카테터 등을 방광 내에 삽입함에 따른 피검사자의 고통 또는 방광수축, 상처, 감염 등과 같은 합병증을 유발하거나 피검사자의 프라이버시를 침해하는 문제없이 방광내압을 측정할 수 있다.
또한, 방광내압 측정시 종래의 비침습적 측정방법에서와 같이 콘돔 또는 소아용 혈압계를 요도 등의 음경부위에 씌우지 않으므로, 측정 대상과 측정시점이 각각 남성과 배뇨시에만 제한되거나 피검사자의 프라이버시를 침해하는 문제 없이 간편하게 비침습적으로 방광내압을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 방광내압 측정시스템을 개략적으로 예시하는 블록도;
도 2의 (a) 및 (b)는 도 1 에 도시한 일 실시예에 따른 초음파 방광내압 측정시스템에 따라 실제로 제작된 초음파 변환 모듈의 솔레노이드 코일을 이용한 전자기식 USP 변환기/B-모드 초음파 어레이 프로브 및 그 구동 장치를 각각 예시하는 사진;
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 USP가 방광 내부로 조사될 때 A-모드 초음파 프로브에 의해 200ms간격으로 획득된 기포들로부터 반사되는 후방 산란 신호(g(t))를 예시하는 도면;
도 4는 B-모드 초음파 프로브를 이용하여 USP 조사 전(상단)과 후(하단)에 입수한 초음파 B-모드 영상을 예시하는 사진;
도 5는 도 4의 USP 조사 후 초음파 영상에서 조사 전 배경 영상을 빼 준 후, 도 4에서 부분(A)으로 표시된 기포 군이 주로 발생한 초점부 영역을 캡쳐한 초음파 B-모드 영상을 예시하는 사진;
도 6은 G(t) 신호에서 기포의 동특성 변수(Gmax, Tx%, GAI)를 정의하는 그래프;
도 7은 도 1 에 도시한 일 실시예에 따른 초음파 방광내압 측정시스템을 캘리브레이션하기 위한 캘리브레이션용 압력챔버 시스템을 예시하는 개략도;
도 8은 도 7에 도시한 캘리브레이션용 압력챔버 시스템을 사용하여 초음파 방광내압 측정시스템을 캘리브레이션하는 프로세스를 예시하는 흐름도;
도 9 내지 도 11은 방광내압 챔버를 포함하는 실험용 uBiPM을 사용하여 방광 내압(P)을 대기압부터 20mmHg 간격으로 120mmHg까지 변화하면서 얻은 초음파 B-모드 영상을 이용하여 측정한 기포의 동 특성 변수(X)(Gmax, Tx, GAI)의 변화를 예시하는 그래프;
도 12는 도 7에 도시한 캘리브레이션용 압력챔버 시스템을 포함하는, USP 및 B-모드 초음파 영상을 이용하는 실험용 uBiPM을 예시하는 기능적인 블록도;
도 13은 도 12에 도시한 실험용 uBiPM을 실제로 제작한 예를 나타내는 사진;
도 14는 도 7에서 도시한 캘리브레이션용 압력챔버 시스템을 실제로 제작한 실험용 압력 챔버 시스템 사진;
도 15는 광학 하이드로폰을 이용하여 측정한 도 13의 실험용 uBiPM에서 발생된 전형적인 USP 파형의 예를 예시하는 그래프;
도 16의 (a)와 (b) 및 (c)는 USP에 의해 방광 내부에 발생된 도 5의 기포군의 초음파 B-모드 영상에 대해 픽셀 값의 합(G)를 시간에 따라 계산한 G(t)의 값을 예시하는 그래프;
도 17은 도 1에 도시한 일 실시예에 따른 초음파 방광내압 측정시스템에서 초음파 프로브가 A-모드 초음파 프로브일 경우 방광내압을 추정하는 흐름도;
도 18은 도 1 에 도시한 일 실시예에 따른 초음파 방광내압 측정시스템에서 초음파 프로브가 B-모드 초음파 어레이 프로브일 경우 방광내압을 추정하는 흐름도;
도 19는 도 1 에 도시한 일 실시예에 따른 초음파 방광내압 측정시스템의 동작을 예시하는 흐름도; 및
도 20은 도 1에 도시한 초음파 방광내압 측정시스템을 일부 변형한 변형 실시예의 초음파 방광내압 측정시스템을 예시하는 블록도이다.
이하에서는 본 발명의 양호한 실시 예들에 따른 초음파 방광 내압 측정시스템 및 그 방법을 도시한 첨부 도면과 관련하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가진용 초음파의 가장 이상적인 충격파 변환기에 의해 발생된 집속형 초음파 충격 펄스(ultlrasonic shock pulse)(이하 'USP'라 함)을 이용한 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템(ultrasonic urinary bladder internal pressure monitor; uBiPM)(1)을 예시하는 개략적인 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템(1)은 방광 중심부(F)로 조사된 USP에 의해 발생된 기포의 동 특성을 초음파 프로브(20)를 이용하여 감지하고 이를 이용하여 방광내압을 비침습적으로 측정하기 위한 것으로, 초음파 변환 모듈(3) 및 본체(5)를 포함한다.
초음파 변환 모듈(3)은 방광내압 측정시 방광 내에 캐비테이션 현상에 의한 기포 발생을 유도하도록 방광 외측의 복부 부분에서 방광 내부 중심부(F)로 USP를 조사하고 기포군으로부터 후방 산란되는 초음파 신호 (g(t))를 수신한다. 이를 위해, 초음파 변환 모듈(1)은 단일 모듈로 형성될 수 있고, 가진용 USP 변환기(10), USP 집속기(15), 초음파 프로브(20), 초음파 커플링 젤/액체(16) 및 커버(17)로 구성될 수 있다.
초음파 변환기 모듈(3)의 하우징(12)은 상측 전면부가 피부와 접촉하는 커버(17)로 싸여 있으며 하단부는 검사자가 손으로 쉽게 잡을 수 있도록 원통 구조를 가진다. 초음파 프로브(20)는 가진용 USP 변환기(10)의 내부 중심부에 설치하도록 하며, 가진용 USP 변환기(10)의 중심축과 일치하도록 하여, 진단용 초음파 펄스(diagnostic ultrasonic pulse; DUP)가 기포가 주로 발생하는 USP 초점 부위를 통과하도록 한다.
방광 내에 기포를 만드는 USP 변환기(10)는 충격파 치료기(ESWL 또는 ESWT)에서 사용되는 충격파 발생기와 동일 또는 유사한 원리로 작동된다. 이러한 USP 변환기로 체외 충격파 치료 시스템에서 주로 사용되는 솔레노이드 코일을 이용한 전자기식 충격파 발생 방식의 충격파 발생기를 사용할 수 있다(Min Joo Choi, Sung Chan Cho, Dong-Guk Paeng, Kang Il Lee and Andrew Coleman (2012). Thickness Effects of the Metallic and Insulating Membranes of a Cylindrical Electromagnetic Shock Wave Transducer. Journal of the Korean Physical Society. 59(6), 3583-3587 참조).
USP 변환기(10)는 전자기식 외에, 전기수력학적 방식 또는 피에조 세라믹 방식의 충격파 발생기가 사용될 수도 있다.
초음파 변환기 모듈(3)의 집속기(15)는 발생된 USP를 초점 부위(F)로 집속한다. 집속기(15)의 초점(F)은 커버(17)가 방광 내압을 측정하기 위해 방광 외측의 복부 부분과 접촉할 때 대략적으로 방광 내부의 중심부와 일치하도록 한다.
본 실시예에서, 방광 외측의 복부 부분과 접촉하는 초음파 변환기 모듈(3)의 커버(17)의 상단에서 초점(F)까지의 초점거리는 사람의 신체의 복부 부분 외측에서 방광의 중심 사이의 거리를 감안하여 20 내지 50mm의 범위로 할 수 있다.
가진용 USP의 압력, 특히, 최대 음압(negative peak pressure, P-)이 낮을수록 그리고 주파수가 낮을 경우 기포가 잘 발생한다. 따라서 USP 변환기 구동부(30)는 가급적 주파수 1MHz 이하에서 P-가 -3MPa 이하가 되도록 USP 변환기를 구동하는 것이 바람직하다.
또한, 발생된 기포를 측정 영역 밖으로 밀어내는 음향 흐름을 최소화하기 위해, 짧은 펄스 길이를 가지는 가진용 초음파를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 USP 변환기(10)에서 발생된 초음파는 펄스의 길이가 1 사이클 정도로 매우 짧아 uBiPM의 현실적으로 구현 가능한 이상적인 가진용 초음파라 할 수 있다.
초음파에 의해 방광 내에 발생된 기포들의 동적 상태를 초음파 신호로 감지하는 진단용 초음파 프로브(20)는 A-모드 프로브 또는 다수의 A모드 프로브를 어레이 형태로 구성한 B-모드 초음파 어레이 프로브를 사용할 수 있다.
상기 초음파 프로브(20)는 USP 변환기(10)의 내부 공간 중심축에 위치하도록 초음파 프로브(20)에 발생된 DUP 전파축이 USP의 초점(F)를 지나는 축과 동 축으로 배치되도록 연결 라인을 통해 본체(2)의 초음파 프로브 구동부(40)와 신호 입수 및 처리부(50)와 연결된다.
도 2의 (a) 및 (b)는 실제로 제작된 초음파 변환 모듈(3)의 솔레노이드 코일을 이용한 전자기식 USP 변환기(10) 및 그 구동 장치를 각각 예시하는 사진이다. USP 변환기(10)의 중심부에 B-모드 초음파 어레이 프로브가 장착되어 있으며, 필요시 동일한 크기 및 구조로 A-모드 초음파 프로브를 설치할 수 있다.
A-모드 초음파 프로브를 사용할 경우 초음파 프로브 구동부(40)내의 펄서(도시하지 않음)에 의해 초음파 프로브가 구동되어 방광 내의 기포군을 향해 진단용 초음파 펄스(DUP)를 발생하며, 기포들로부터 후방 산란되어 돌아오는 초음파 신호를 신호/영상 입수 및 처리부(50)의 리시버(도시하지 않음)를 통해 수신한다. 수신된 신호는 필터링을 포함하는 전처리 과정을 거쳐 후방 산란되는 초음파 신호(back-scattered signal; g(t))를 얻게 된다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 USP가 방광 내부로 조사될 때 A-모드 초음파 프로브에 의해 200ms간격으로 획득된 기포들로부터 반사되는 후방 산란 신호 g(t)를 예시하는 도면이다. 방광내압이 0mmHg(도 3a), 40mmHg(도 3b), 100mmHg(도 3c)로 증가하면, 신호 g(t)의 크기는 빨리 감소하는 것을 보여주고 있다.
B-모드 초음파 어레이 프로브를 사용할 경우 초음파 프로브 구동부 (40)내의 프로브 구동 장치(도시하지 않음)에 의해 기포군이 형성된 영역의 다수의 A-모드 스캔을 수행하게 되고, 신호/영상 입수 및 처리부(50) 내의 스캔 컨버터를 통해 기포군에 대한 하이퍼 에코제닉 영상(hyper-echogenic image)의 B-모드 영상을 얻게 된다(도 4 및 도 5 참조).
도 1에 도시한 바와 같이, 커버(17)는 피부와 접하게 되며, 방광내압 측정시 가진용 및 진단용 초음파가 피부를 통해 손실 없이 전달될 수 있도록 젤 형태 또는 유동 형태의 초음파 커플링 젤/액체(16)를 유지하도록 초음파 변환기 모듈의 전면부를 감싸고 있다.
이를 위해, 커버(17)는 돔 형태로 형성되고, 주변 가장자리에서 고정 링(18)을 통해 하우징(12)에 고정된다. 여기서, 커버(17)는 돔 형태로 형성된 것으로 설명하였지만, 가진용 USP 변환기(10)가 집속기(15)의 중앙에서 돌출되도록 형성되지 않는 경우에는 평평한 형태로 형성될 수도 있다.
커버(17)는 초음파가 잘 통과할 수 있도록 초음파 투과성이 좋은 물질과 음향 임피던스가 유사한 재료를 사용하여, 요구되는 강성도가 유지되는 범위에서 최대한 얇게 형성된다.
또한, 커버(17)는 필요에 따라 피부를 기준으로 USP 변환기(10)의 초점 깊이를 조절할 수 있도록 유연성 있는 재료로 형성될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본체(5)는 USP 변환기 구동부(30), 초음파 프로브 구동부(40), 신호/영상 입수 및 처리부(50), 방광내압 추정부 (60), 표시부(70) 및 제어부(80)로 구성될 수 있다.
USP 변환기 구동부(30)는 충격파 발생기, 즉 USP 변환기(10)를 구동하는 펄스 파워 공급 장치로서 제어부(80)에 연결된 마우스, 키보드, 버튼 등의 입력 장치와 같은 사용자 인터페이스(95)를 통해 USP 변환기(10)에 공급하는 전기 에너지(예, 최대 전압)를 설정할 수 있다.
초음파 프로브 구동부(40)는 초음파 프로브(20)를 펄스 에코 모드로 구동하기 위한 펄서 기능을 구비한다.
초음파 프로브(20)가 A-모드 초음파 프로브일 경우, 초음파 프로브 구동부(40)내의 펄서에 의해 펄스 에코 모드로 구동된 초음파 프로브(20)는 방광 내의 기포군을 향해 DUP를 송신하여 에코 신호를 수신한다. 초음파 프로브(20)로 수신된 에코 신호는 신호/영상 입수 및 처리부(50) 내의 리시버에 의해 수신되어 신호/영상 입수 및 처리부(50) 내에 내장된 프리앰프 및 필터를 통해 적절한 전처리 과정을 통해 잡음 대 신호의 비가 개선된 후방 산란 신호(g(t))로 변환된다.
초음파 프로브(20)가 B-모드 어레이 프로브일 경우, 초음파 프로브 구동부(40)내의 프로브 구동 장치, 즉, 다수의 펄서와 리시버가 동시에 동작하여 다수의 A-모드 스캔 신호가 얻어지며, 이 신호들은 신호/영상 입수 및 처리부(50) 내의 스캔 컨버터에 의해 초음파 B-모드 영상 g(i,j)으로 변환된다.
이와 같이 얻어진 g(t) 및 g(i,j)는 신호/영상 입수 및 처리부(50)에서 각각 기포의 발생 정도와 밀접한 물리량으로 g(t)의 시간 적분인 아래 식(1)과 g(i,j)의 픽셀 값의 합으로 표현되는 아래 식(2)에 의해 측정 시점(to)에서의 G(to)로 변환된다.
Figure PCTKR2012005071-appb-I000001
----------(1)
Figure PCTKR2012005071-appb-I000002
----------(2)
신호/영상 입수 및 처리부(50)는 기포가 소멸할 때까지 일정 시간 간격으로 반복적으로 측정된 g(t) 또는 g(i,j)에 대해 상기 식(1) 또는 (2)에 의한 변환과정을 반복하여 시간에 따른 G의 값을 나타내는 G(t)를 계산하고, 도 6에 도시한 바와 같이, 기포의 동 특성을 평가하는 아래의 3가지 특성 변수인 최대 값(Gmax), 기포의 지속 시간(Tx%), 및 기포의 발생 강도(GAI)를 얻는다.
-. 최대 값(Gmax) : 가진용 초음파가 조사된 직후 최대로 발생한 기포와 관련된 변수
-. 기포의 지속 시간(Tx%)(time at which G(t) is down to the level of x% of Gmax): G(t)가 최대값 Gmax의 x% 이하로 저하할 때까지의 시간으로 발생된 기포의 지속 시간(참고로 G(t)가 주위 배경 잡음 수준으로 떨어질 때까지의 시간은 Tmax로 표현되며, 기포의 소멸 시간을 의미함)
-. 기포의 발생 강도(GAI)(time integral of G(t)): G(t)의 시간에 대한 적분 형태로 주어지는 물리량으로 가진용 초음파의 조사에 의한 기포의 평균적인 발생 강도
방광내압 추정부(60)는 상술한 3가지 기포의 동 특성 변수 및 캘리브레이션 과정을 통해 사전에 확보되어 제어부(80)의 메모리(도시하지 않음)에 저장된 방광내압과 동 특성 변수 사이의 상관성 데이터베이스를 이용하여 최종적으로 방광내압을 추정한다.
캘리브레이션 과정은 도 7에 도시된 압력센서(120)가 부착된 방광을 모의하는 기준 압력 챔버(110)를 포함하는 캘리브레이션용 압력챔버 시스템을 이용하여, 기준 압력 챔버(110)의 내압(P)을 일정 간격(△P)으로 변경하면서, 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템(1)에 의해 기준 압력 챔버(110)에 가진용 초음파를 조사하여 발생된 기포군에 대한 동 특성 변수(X= Gmax, Tx%, GAI)의 값을 측정하는 것으로 이루어진다. 이러한 캘리브레이션 과정의 프로세스는 도 8에 예시되어 있다. 캘리브레이션 과정은 제조자가 제품을 출시하기 전에 제어부(80)의 캘리브레이션부(85)(또는 선택적으로 후술하는 방광내압 측정 프로그램(82)의 캘리브레이션 기능)에 의해 수행된다. 캘리브레이션 과정을 통해 측정된 기포의 동 특성을 평가하는 3가지 특성 변수들(Gmax, Tx%, GAI)과 방광내압 사이의 상관성 자료는 아래 표 1과 같은 구조로 데이터베이스화되어 제어부(80)의 메모리에 저장된다.
표 1 압력 챔버 내압(P)의 변화에 따른 기포의 동특성 변수(X = Gmax, Tx%, GAI)값의 상관성 정보를 제공하는 캘리브레이션 데이터 베이스의 구조의 예
방광 내압 P(i) 기포의 동 특성 변수 (X(i))
(mmHg) Gmax Tx% GAI
0
△P
2△P
...
P(i) Gmax(i) Tx%(i) GAI(i)
...
Pmax
사용자는 제품의 신뢰성을 유지하기 위해 정기적으로 캘리브레이션 과정을 수행하여 캘리브레이션 데이터베이스를 업그레이드하는 것이 바람직하다.
캘리브레이션 데이터베이스를 이용하여 방광내압의 절대값을 추정하는 방법은 보간법을 이용한 방법과 최소 자승법을 이용한 근사화 방법을 사용할 수 있다.
보간법을 이용한 방법은 uBiPM으로 측정된 특성 변수의 X 값과 가장 근사한 캘리브레이션 데이터베이스의 X(i)를 찾아 이 값에 대응하는 P(i)를 불러온 후 아래 식(3)으로 방광내압의 절대값을 보정한다.
Figure PCTKR2012005071-appb-I000003
---------(3)
여기서
Figure PCTKR2012005071-appb-I000004
,
Figure PCTKR2012005071-appb-I000005
,
Figure PCTKR2012005071-appb-I000006
=1 if x=0,
Figure PCTKR2012005071-appb-I000007
=0 otherwise.
이러한 방법의 정확도는 ε값의 크기에 의해 영향을 받으므로, ε값이 최소값 이하로 유지하기 위해 캘리브레이션 시 △P가 충분히 작은 값을 가지도록 설정되는 것이 바람직하다.
최소 자승법을 이용한 근사화 방법은 캘리브레이션 데이터베이스를 이용하여 기포의 동 특성 변수(X)를 독립 변수로 하여 방광내압(P)을 결정하는 근사식을 최소 자승법을 이용하여 먼저 구한다. 방광내압의 절대값은 이 수식에 uBiPM로 측정된 특성 변수 값을 입력하여 추정한다.
예를 들면, 도 9 내지 도 11은, 도 12 및 도 13에 각각 기능적인 블록도 및 사진으로 도시되고 도 14에 도시된 캐리브레이션용 압력챔버 시스템을 포함하는 실험용 uBiPM을 사용하여 기준 압력 챔버(110)의 내압(P)을 대기압부터 20mmHg 간격으로 120mmHg까지 변화하면서 얻은 초음파 B-모드 영상을 이용하여 계산한 기포의 동 특성 변수(X)(Gmax, Tx%, GAI)의 변화를 도시한다. 도 9 내지 도 11에 도시한 바와 같이, 기포의 동특성 변수(X)는 내압(P)이 증가함에 따라 지수 함수적으로 감소하는 것으로 나타났다. 이를 수학적을 모델링하면 아래 식(4)로 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2012005071-appb-I000008
-------(4)
여기서 A,B,C는 실험 데이터을 이용하여 최소 자승법으로 구한 계수이며, 이 계수가 결정되면, 방광내압은 아래 식(5)으로 간단히 계산할 수 있다.
Figure PCTKR2012005071-appb-I000009
------(5)
다음 표 2는 도 9 내지 도 11에 도시한 측정값에 대해 최소 자승법을 이용하여 계산한 상기 근사식(4)의 계수의 값의 예를 보여 준다.
표 2 방광내압(P)이 증가함에 따라 지수 함수적으로 감소하는 동특성 변수 (Gmax, Tx%, GAI)에 대한 상관성을 식(4)와 같이 지수 함수적으로 근사화 할 경우 측정된 계수(A,B,C)의 예
A B C Adj. R-Square
Gmax 0.496941 70.93939 0.458798 0.97929
T50% -1.18781 -693.08114 1.56144 0.96578
GAI 0.345813 54.65482 0.510358 0.90938
이와 같이 초음파 프로브 구동부(40), 신호/영상 입수 및 처리부(50) 및 방광내압 추정부(60)를 통해 방광내압을 추정하는 프로세스는 도 17 및 도 18에 예시되어 있다. 도 17은 초음파 프로브(20)가 A-모드 초음파 프로브일 경우 방광내압을 추정하는 흐름도이고, 도 18은 초음파 프로브(20)가 B-모드 초음파 어레이 프로브일 경우 방광내압을 추정하는 흐름도이다.
[실험용 UBiPM 장치의 구현 및 측정 예]
출원인은 도 7에 도시된 캘리브레이션용 압력챔버 시스템을 포함하는 도 13에 도시한 실험용 uBiPM을 실제로 제작하였다. 도 13은 실제로 제작한 실험용 uBiPM의 사진이고, 도 14는 실험용 uBiPM의 캘리브레이션용 압력챔버 시스템에 포함되는 중요 구성부분들의 사진이다. 이와 같이 제작된 실험용 uBiPM을 사용하여 USP 변환기에 의해 18kV의 구동전압으로 가진용 USP를 조사함과 함께 기준 압력 챔버(110)의 내압(P)을 0mmHg, 30mmHg, 60mmHg로 변화시키면서 초음파 B-모드 영상을 측정하였다.
도 15는 실험용 uBiPM에서 USP 변환기에 의해 18kV의 구동전압과 1MHz의 구동주파수로 기포 발생용으로 조사한 USP 파형을 도시하고 있다. 도 15에 도시된 바와 같이 USP 파형은 기포가 충분히 발생할 수 있도록 음압이 -10MPa이하의 값을 가지고 있으며, 중심 주파수는 0.2MHz로 낮은 값을 보이며, 펄스의 길이는 1사이클 정도로 음향 흐름을 최소화하고 있는 특성을 구비하고 있다.
도 4는 B-모드 초음파 프로브를 이용하여 USP 조사 전(상단)과 후(하단)에 입수한 초음파 B-모드 영상을 예시하는 사진이다. 도 4에서 초음파 영상은 방광내압을 0mmHg (좌측), 30mmHg (중간), 60mmHg (우측)로 상승시키면서 입수 했다.
도 5는 도 4의 USP 조사 후 초음파 영상에서 조사 전 배경 영상을 빼 준 후 기포 군이 주로 발생한 초점부 영역을 캡쳐한 초음파 B-모드 영상을 예시하는 사진이다. 영상들은 각각 방광내압이 0mmHg (좌측), 30mmHg (중간), 60mmHg (우측)의 경우를 도시하고 있다. 도 16은 USP에 의해 방광 내부에 발생된 기포군의 초음파 B-모드 영상(도 5)에 대해 상술한 식 (2)를 이용하여 픽셀 값의 합(G)을 시간에 따라 계산한 G(t)의 값을 도시한다(방광내압: 0mmHg (좌측(a)), 30mmHg (중간(b)), 60mmHg (우측(c)).
또한, 실험용 uBiPM을 사용하여 기준 압력 챔버(110)의 내압(P)을 대기압부터 20mmHg 간격으로 120mmHg까지 변화하면서 얻은 초음파 B-모드 영상을 이용하여 계산한 기포의 동 특성 변수(X)(Gmax, Tx%, GAI)와 방광내압 사이의 상관성은 도 9(Gmax), 도 10(T50% : G(t)의 크기가 50% 이하로 떨어지는 시점에서의 시간), 도 11(GAI : G(t) amplitude integral over 0∼3s)에 도시되어 있다. 기포의 동특성 변수(X)(Gmax, Tx%, GAI)는 내압(P)이 증가함에 따라 지수 함수적으로 감소하는 것으로 나타났다.
제어부(80)는 랩탑 컴퓨터 또는 퍼스널 컴퓨터의 본체로 구성되고, 방광내압을 측정하는 데 필요한 방광내압 측정 프로그램(82)을 내장하고 있다. 방광내압 측정 프로그램(82)은 마우스와 키보드 등의 사용자 인터페이스(95)를 통해 사용자가 필요한 정보 및 설정값, 초음파 변환기(10)를 동작시키기 위한 측정 시작/종료 명령 등을 입력할 수 있는 각종 입력 창과, 초음파 구동 조건 설정, 초음파 프로브(20)를 통해 수신된 초음파 신호(g(t)), 영상(g(i,j)), 기포의 동 특성(G(t), Gmax, GAI, Tx%)을 포함하여 최종적으로 추정된 방광내압 등을 표시부(70)를 통해 표시한다. 또한 방광내압 측정 프로그램(82)은 제어부(8)가 캘리브레이션부(85)를 구비하지 않도록 구성될 경우 캘리브레이션부(85)의 기능을 대체하는 캘리브레이션 기능을 포함하도록 구성될 수 있다.
여기서, 제어부(80)는 랩탑 컴퓨터 또는 퍼스널 컴퓨터의 본체로 구성되는 것으로 설명하였지만, 그 대신, 방광내압을 측정하는 데 필요한 설정, 초음파 변환 모듈(1)를 동작/정지시키기 위한 측정시작/종료 명령 등을 입력할 수 있는 각종 버튼을 포함하는 컨트롤 박스(도시하지 않음)로도 구성될 수 있다.
제어부(80)는 입력된 측정 시작 명령에 따라 USP 변환기 구동부(30)가 USP 변환기(10)를 구동하여 USP를 발생하고, 초음파 프로브(20)에 의해 수신되는 초음파 신호로부터 방광 내에 발생된 기포들의 동적 특성을 분석하여 방광내압을 추정하도록 한다.
이를 위해, 제어부(80)는 내부에 아식(Asic)과 같이 하드웨어 형태로 형성되거나 방광내압 측정 프로그램에 포함된 소프트웨어 형태로 형성되는 초음파 신호/영상 입수 및 처리, 기포 동 특성 변수 검출, 방광내압을 추정 작업에 필요한 알고리즘을 포함한다.
표시부(70)는 제어부(80)의 제어 하에 기포군에 대한 초음파 신호 및 영상, 기포의 동특성 변수, 측정된 방광내압(P) 등을 표시한다.
표시부(70)는 제어부(80)를 본체로 하는 랩탑 컴퓨터 또는 퍼스널 컴퓨터에 연결되는 모니터로 구성될 수 있다. 선택적으로, 제어부(80)가 컨트롤 박스로 구성될 경우, 표시부(70)는 방광내압 추정부(60)로부터 출력되는 전기신호(전압)를 방광내압으로 변환하여 표시하는 오실로스코프와 같은 신호 변환기로 구성될 수 있다. 표시부(70)가 신호 변환기로 구성될 경우, 표시되는 방광내압은 전기 신호에 비례하여 표시되고, 표시방법은 압력을 숫자(디지털)로 표시하거나 그래프(아날로그 방식)로 표시하게 된다.
[동작 예]
이하에서는 상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 방광내압 측정시스템(1)의 동작을 도 1 내지 도 19를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 검사자는 초음파 방광내압 측정시스템(1)의 전원을 온(ON)시킨 후, 가진용 변환기(10)의 초점(F)이 피검사자의 방광의 중심부에 위치될 수 있도록 초음파 변환기 모듈(3)의 커버(17)를 피검사자의 방광 외측의 복부 부분에 접촉시킨다. 이어서, 검사자는 표시부(70)의 모니터에 표시되는 방광내압 측정프로그램에서 마우스, 키보드 등의 입력장치와 같은 사용자 인터페이스(95)를 통해 가진용 변환기(10)를 동작시키기 위한 측정 시작 명령을 입력한다. 그 결과, 제어부(80)는 위에서 설명한 바와 같이 가진용 변환기 구동부(30)를 통해 가진용 변환기(10)를 구동하여 방광 내에 캐비테이션 현상에 의한 기포 발생을 유도하도록 방광 외측의 복부 부분에서 방광 내부로 가진용 초음파를 조사한다(S10).
이와 동시에, 제어부(80)는 초음파 프로브(20)가 방광 내에 발생된 기포들에 대해 초음파 신호를 송신하고 기포들로부터 반사되는 초음파 신호를 수신하도록 초음파 프로브 구동부(40)의 펄서를 제어한다(S20). 그 결과, 초음파 프로브(20)에서 수신된 초음파 신호는 신호/영상 입수 및 처리부(50)로 출력된다.
도 17 및 도 18에 도시한 바와 같이, 신호/영상 입수 및 처리부(50)는 초음파 프로브(20)로부터 수신된 초음파 신호로부터 기포 군으로부터 후방 산란된 A-모드 초음파 신호(g(t)) 또는 B-모드 영상(g(i,j))으로부터 G값을 계산한다. 이 과정을 기포군이 소멸될 때까지 반복하여 G(t)를 계산하고 기포의 동특성 변수(X)(Gmax, Tx%, GAI)의 값을 추출하여 방광내압 추정부(60)로 전송한다.
방광내압 추정부(60)는 수신된 기포의 동 특성 변수(X)의 값, 및 캘리브레이션 과정(도 8)을 통해 사전에 확보되어 제어부(80)의 메모리에 데이터베이스화되어 저장된 동 특성 변수(X)와 방광내압 사이의 상관성 정보를 이용하여 최종적으로 방광내압을 추정한다. 방광내압은 앞서 기술한 보간법을 이용한 방법 및 최소 자승법을 이용한 근사화 방법을 사용하여 추정할 수 있다(S30).
방광내압(P)이 계산된 후, 제어부(80)는 표시부(70)를 제어하여 기포들에 대한 하이퍼 에코제닉 영상 또는 후방 산란신호를 포함하는 초음파 신호, 기포들에 대한 하이퍼 에코제닉 영상 또는 기포의 동특성 변수, 추정된 방광내압(P)을 표시부(70) 상에 표시한다(S40).
그 후, 검사자가 방광내압 측정프로그램에서 사용자 인터페이스(95)를 통해 측정종료 명령을 입력하면, 제어부(80)는 가진용 변환기 구동부(30) 및 초음파 프로브 구동부(40)를 작동을 정지시킨다.
이후, 검사자는 동일 또는 다른 피검사자에 대한 추가 방광내압 측정이 필요하면 상술한 동작을 반복하고, 추가 방광내압 측정이 필요하지 않으면 초음파 방광내압 측정시스템(uBiPM)(1)의 전원을 오프(OFF)시키고 측정을 종료한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 초음파 방광내압 측정시스템(1) 및 그 방법은 피검사자의 방광 외측의 복부 부분에서 방광 내부로 초음파를 조사하고 조사된 초음파에 의해 방광 내에 발생된 기포들의 동적 특성을 분석하여 방광내압을 측정한다. 따라서 방광내압 측정시 종래의 침습적 또는 비침습적 측정방법에서와 같이 피검사자의 고통 또는 방광수축, 상처, 감염 등과 같은 합병증을 유발하거나 피검사자의 프라이버시를 침해하는 문제, 측정대상과 측정시점이 각각 남성과 배뇨시에만 제한되는 문제 등은 발생하지 않는다.
도 20은 도 1에 도시한 초음파 방광내압 측정시스템(1)을 일부 변형한 변형 실시예의 초음파 방광내압 측정시스템(1')를 도시한다. 이 초음파 방광내압 측정시스템(1')은 도 1의 가진용 USP 변환기(10) 대신, 가진용 고강도 집속형 초음파(high intensity focused ultrasound; HIFU)를 발생하는 단일 초음파 변환 소자 또는 다수의 초음파 변환 소자로 구성된 HIFU 변환기(10')를 구비하여 가진용 초음파를 발생하도록 한다.
따라서 상기 변형 실시예의 초음파 방광내압 측정시스템(1')은, HIFU 변환기(10')를 구동하기 위해, 도 1에 도시한 초음파 방광내압 측정시스템(1)에서와 같이 USP 변환기 구동부(30)를 구비하는 대신, 함수발생기(32), 파워 증폭기(34), 및 매치 네트워크(36)를 포함하는 HIFU 변환기 구동부(30')를 구비하는 것을 제외하고는 도 1에 도시한 초음파 방광 내압 측정시스템(1)의 구성과 동일하다.
초음판 변환기 모듈(3')은 도 1에 도시한 초음파 변환기 모듈(3)과 마찬가지로 단일 모듈로 형성되고, 하우징(12), HIFU 변환기(10'), 및 A/B-모드 초음파 프로브(20')를 구비한다.
하우징(12)은 상측이 개방된 원통 형태로 형성되고, 내부 공간에 HIFU 변환기(10')와 초음파 프로브(20')가 설치된다. 초음파 변환기 모듈(3')의 전면부는 피부와 접촉하는 커버(17)로 덮여 있으며, 커버(17) 내에는 초음파 커플링 액체(16)가 충진된다. 또한 커버(17)는 방광 외측의 복부 부분과 접촉할 때 상면이 복부 부분과 잘 접촉할 수 있게 오목면을 이루도록 형성될 수 있다. 하우징(12) 하단부는 검사자가 손으로 쉽게 잡을 수 있는 구조물을 통해 변환기와 구동부를 연결하는 전기적인 통로 역할을 한다.
HIFU 변환기 구동부(30')는 초음파 변환기 모듈(3')의 HIFU 변환기 (10')를 가진하여 가진용 초음파를 발생시키는 것으로, 함수 발생기(32), 파워 증폭기(34), 및 매칭 네트워크(36)로 이루어진다. 함수 발생기(32)는 제어부(80)에 연결된 마우스, 키보드, 버튼 등의 입력장치와 같은 사용자 인터페이스(95)를 통해 설정되는 HIFU 변환기(10')에 공급하기 위한 구동신호를 출력한다. 파워 증폭기(34)는 출력된 구동신호를 고 전류의 출력 신호로 변환하여 매칭 네트워크(36)를 통해 HIFU 변환기(10')로 출력한다.
본 변형 실시예에서, 방광 외측의 복부 부분과 접촉하는 초음파 변환기 모듈(3')의 커버(17)의 상단에서 초점(F)까지의 초점거리는 도 1에 도시한 초음파 변환모듈(3)과 마찬가지로 사람의 신체의 복부 부분 외측에서 방광의 중심 사이의 거리를 감안하여 20 내지 50mm 범위의 값을 갖도록 한다.
HIFU 변환기(10')는 기포가 잘 발생할 수 있도록 주파수 1MHz 이하, 최저 음압 -2MPa 이하가 되도록 구동하고 펄스의 길이는 음향 흐름 효과를 줄이기 위해 10 사이클 이내로 제한하는 것이 바람직하다.
초음파 프로브(20')는 초음파에 의해 방광 내에 발생된 기포들의 동적 상태를 초음파 신호로 수신하는 것으로서, 선단이 HIFU 변환기(10')의 중앙 상면과 동일하거나 돌출되도록 하우징(12)의 내부 공간의 중심부에 장착되고, 연결라인을 통해 본체(5')의 초음파 프로브 구동부(40)와 연결된다.
또한, 초음파 프로브(20')는 센싱축이 HIFU 변환기(10')의 초점을 지나는 축과 동축 배치되도록 HIFU 변환기(10')의 중앙에 설치된다.
이러한 초음파 프로브(20')는 도 1에 도시한 초음파 변환 모듈(3)과 마찬가지로, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 기포에 대한 하이퍼 에코제닉 영상(A)을 포함하는 초음파 신호를 수신하는 B-모드 초음파 어레이 프로브 또는 도 3에 도시한 바와 같이 기포들로부터 반사되는 후방 산란 신호를 포함하는 초음파 신호를 검출하는 A-모드 초음파 프로브로 구성될 수 있다.
이와 같이 구성된 초음파 변환모듈(3') 및 HIFU 변환기 구동부(30')를 제외한 초음파 방광내압 측정시스템(1')의 구성요소들의 구성과 동작은 도 1과 관련하여 설명한 초음파 방광내압 측정시스템(1)과 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.
이상에서, 본 발명은 원리를 예시하기 위한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 구성 및 작용으로 한정되지 않는다. 또, 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 본 발명에 대한 다양한 변경과 수정이 가능함은 당업자들에게는 잘 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명에 대한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주 되어야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 방광 내에 캐비테이션 현상에 의한 기포 발생을 유도하도록 방광 외측의 복부 부분에서 방광 내부로 가진용 초음파 펄스를 조사하는 가진용 초음파 변환기;
    진단용 초음파 펄스를 송신하여 상기 방광 내에 발생된 기포들의 동적 상태를 후방 산란 초음파 신호로 수신하는 초음파 프로브;
    상기 초음파 프로브에 의해 수신된 후방 산란 초음파 신호 또는 초음파 영상으로부터 상기 방광 내에 발생된 기포들의 동적 특성을 분석하여 동 특성 변수의 값을 추출하는 신호/영상 입수 및 분석부; 및
    상기 추출된 기포의 동 특성 변수의 값으로부터 방광내압을 추정하는 방광내압 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가진용 초음파는 고 압력의 짧은 집속형 초음파 펄스(high amplitud focused ultlrasonic short pulse: HAFUSP)를 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 프로브는 A-모드 또는 B-모드 영상용 초음파 프로브를 포함하며, 펄서에 의해 구동되어 기포들에 대해 진단용 초음파 펄스를 송신하고 기포들로부터 후방 산란되는 초음파를 수신하는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 기포의 동 특성 변수는 상기 가진용 초음파를 조사하기 직전부터 상기 A-모드 프로브에서 펄스 에코 모드로 수신된 후방 산란된 초음파 신호의 시간 적분 값을 기포가 소멸한 후까지 펄스 에코 수신 주기 시간 간격으로 기록한 시계열 신호 G(t)의 최대값 (Gmax), 지속시간 (Tx - G(t)가 최대값 Gmax의 x% 이하로 저하할 때까지의 시간), 시간 적분 (GAI) 중 적어도 어느 하나 이상을 고려하는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 기포의 동 특성 변수는 상기 가진용 초음파를 조사하기 직전 부터 기포가 소멸한 후까지 연속적으로 상기 B-모드 초음파 프로브를 이용하여 초음파 영상을 입수하고, 입수된 영상을 기포가 발생하기 전 배경 영상으로 빼준 후 영상의 픽셀 값을 모두 합한 값을 B-모드 영상 입수 주기 시간 간격으로 기록한 시계열 신호 G(t)의 최대값 (Gmax), 지속시간 (Tx : G(t)가 최대값 Gmax의 x% 이하로 저하할 때까지의 시간), 시간 적분 (GAI: G(t) amplitude integral) 중 적어도 어느 하나 이상을 고려하는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    방광내압과 기포의 동 특성 변수와의 상관성 정보를 확보하기 위한 캘리브레이션 과정을 수행하는 캘리브레이션부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 캘리브레이션 과정은 방광을 모의하는 기준 압력 챔버에 상기 가진용 초음파를 조사하여 발생된 기포군에 대한 동 특성 변수의 값을 측정하는 것에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방광내압 추정부는 상기 캘리브레이션 과정을 통해 확보된 상기 방광내압과 기포의 동 특성 변수와의 상관성 정보를 토대로 방광내압의 절대 값을 추정하는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 가진용 초음파 변환기는 초음파 주파수가 1MHz 이하이고 최저 음압이 -2MPa 이하인 조건에서 구동되는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광 내압 측정시스템.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 가진용 초음파 변환기는 음향 흐름의 발생을 최소화 할 수 있도록 10사이클 이내의 짧은 펄스 길이를 가지는 펄스형 초음파를 조사하도록 구동되는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 가진용 초음파 변환기는 상기 초음파 프로브로 감지가 가능한 충분한 기포들을 방광 중심부에 선택적으로 발생시킬 수 있는 고 압력의 짧은 집속형 펄스 초음파를 조사하는 전자기식, 또는 전기수력학적 방식, 또는 피에조 세라믹 방식의 충격파 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 가진용 초음파 변환기는 단일 초음파 변환 소자 또는 다수의 초음파 변환 소자로 구성된 고강도 집속형 초음파 펄스를 발생할 수 있는 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 가진용 초음파 변환기와 상기 초음파 프로브는, 상기 가진용 초음파가 상기 방광의 중심부에 집속되도록 하고 상기 진단용 초음파 역시 상기 가진용 초음파의 초점 영역을 감지할 수 있는 단일 초음파 변환 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 단일 초음파 변환 모듈은, 상기 가진용 초음파 변환기 내부 중심부에 상기 초음파 프로브가 배치되는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 단일 초음파 변환 모듈은,
    전면부를 감싸도록 배치되고 피부와 접촉하기에 유리하고 음향학적 투과 특성이 우수한 재료로 형성된 커버; 및
    상기 커버 내에 충진된 초음파 커플링 젤 또는 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정시스템.
  16. 방광 내에 기포 발생을 유도하도록 방광 내부로 가진용 초음파를 조사하는 단계;
    상기 가진용 초음파에 의해 상기 방광 내에 발생된 기포들의 동적 상태를 초음파 신호로 수신하는 단계; 및
    기포군이 소멸할 때까지 수신된 상기 초음파 신호들을 이용하여 상기 방광 내에 발생된 기포들의 동적 특성을 분석하여 방광내압을 추정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정방법.
  17. 제16항에 있어서,
    방광내압과 기포군의 시간에 따른 동 특성 변수와의 상관성 정보를 확보하는 캘리브레이션 과정을 수행하는 단계를 더 포함하며,
    상기 방광내압을 추정하는 단계는 상기 캘리브레이션 과정을 통해 확보된 방광내압과 기포군의 동 특성 변수와의 상관성 정보를 토대로 방광내압의 절대 값을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습적 초음파 방광내압 측정방법.
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