KR102296166B1 - Estimation of Atherosclerotic Plaque using Two Dimensional Ultrasound Images Obtained From Human Carotid Artery - Google Patents

Abstract

본 발명은 두 장의 다른 방향에서 측정된 동맥의 초음파영상으로부터 동맥경화 경화반의 형상 및 구조를 추정하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 (A) 경화반이 있는 경동맥의 혈류방향 초음파영상('길이영상'이라 함) 및 상기 길이영상에서 경화반이 가장 두꺼운 위치(P)의 단면방향 초음파영상('단면영상'이라 함)을 획득하는 단계; (B) 장축이 상기 길이영상에서의 경화반 길이와 같고, 상기 위치(P)에서 폭이 상기 단면영상에서의 경화반 길이와 같으며, 상기 위치(P)에서 장축과 단축이 직각으로 교차하는 십자선을 작성하는 단계; 및 (C) 상기 십자선의 중심 및 장축과 단축의 네 말단의 위치 및 거리 정보로부터 소정의 수학적 방식을 이용하여 볼록한 폐곡선으로 이루어지는 사영면을 도출하는 면도출단계;를 포함하는 동맥경화 경화반 표면형상 추정방법 및 이를 이용한 경화반 3차원구조 추정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for estimating the shape and structure of atherosclerotic plaques from ultrasound images of arteries measured in two different directions, and more particularly, (A) an ultrasound image in the blood flow direction of the carotid artery with plaques ('length obtaining a cross-sectional direction ultrasound image (referred to as a 'cross-sectional image') of the position (P) where the hardened disc is thickest in the length image) and the length image; (B) the major axis is equal to the length of the hardened plate in the longitudinal image, the width at the position (P) is equal to the length of the hardened plate in the cross-sectional image, and the major axis and the minor axis intersect at a right angle at the position (P) creating a crosshair; and (C) a shaving step of deriving a projection plane consisting of a convex closed curve using a predetermined mathematical method from the location and distance information of the center of the crosshair and the four ends of the major and minor axes; It relates to an estimation method and a method for estimating the three-dimensional structure of a hardened disc using the same.

Description

동맥 2차원 초음파영상을 이용한 동맥경화반의 표면형상 및 3차원구조 추정방법{Estimation of Atherosclerotic Plaque using Two Dimensional Ultrasound Images Obtained From Human Carotid Artery}Estimation of Atherosclerotic Plaque using Two Dimensional Ultrasound Images Obtained From Human Carotid Artery}

본 발명은 두 장의 다른 방향에서 측정된 동맥의 초음파영상으로부터 동맥경화 경화반의 형상 및 구조를 추정하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for estimating the shape and structure of atherosclerotic plaques from ultrasound images of arteries measured in two different directions.

동맥경화(atherosclerosis)란 혈관의 가장 안쪽 막(내피)에 콜레스테롤이 침착되고 혈관 내피세포의 증식이 일어나 경화반(plaque)이 생기면서 혈관이 협착(stenosis)되어(도 1 참조) 그 혈관이 말초로의 혈류 장애를 일으키는 질환이다. 동맥경화로 결국 말초로의 혈액순환에 장애가 생기면서 다양한 증상이 나타난다. 2018년 현재 한국에서는 1100 만명이 동맥경화증에 노출되어 있으며(비특허문헌1), 사망률 2~3위를 차지하는 심혈관질환 및 뇌혈관질환의 중요한 원인이 되는 것으로 알려져 있다. 따라서 동맥경화를 조기에 진단하고, 동맥경화 환자의 병증 진행을 주기적으로 추적관찰하는 것이 필요하다.Atherosclerosis refers to the deposition of cholesterol on the innermost membrane (endothelium) of blood vessels and proliferation of endothelial cells in the blood vessels to form plaques, causing the blood vessels to narrow (stenosis) (see FIG. 1), and the blood vessels become peripheral. It is a disease that causes blood flow to the lungs. Atherosclerosis eventually leads to impaired blood circulation to the periphery, resulting in various symptoms. As of 2018, 11 million people in Korea are exposed to atherosclerosis (Non-Patent Document 1), and it is known to be an important cause of cardiovascular and cerebrovascular diseases, which rank second to third in mortality. Therefore, it is necessary to diagnose arteriosclerosis at an early stage and to periodically follow-up the disease progression of arteriosclerosis patients.

이러한 동맥경화증은 다음과 같은 몇 가지 방법으로 검사 및 진단되고 있다. Atherosclerosis is being tested and diagnosed by several methods as follows.

자기공명영상(MRI)이나 컴퓨터단층영상(CT)에 의한 3차원 영상을 이용하여 인체 뇌혈관에 발생한 동맥경화의 면적 및 체적을 측정할 수 있다. 그러나 이에 의하면 고가의 비용이 소요될 뿐 아니라 방사선 조사나 조영제 사용에 따라 인체에 좋지 않은 영향을 줄 우려가 있다. 그리고 병증의 진행을 추적관찰해야 하는 경우에는 고비용이나 방사선 피폭으로 인해 적지 않은 부담이 되고 있다. The area and volume of arteriosclerosis occurring in the human brain blood vessels can be measured using a three-dimensional image by magnetic resonance imaging (MRI) or computed tomography (CT). However, according to this, not only expensive costs are required, but there is also a risk of adverse effects on the human body due to irradiation or use of contrast agents. And when it is necessary to follow up the progression of the disease, it becomes a burden due to high cost and radiation exposure.

이에 방사선을 사용하지 않고, 실시간으로 동맥경화의 조직 상태 및 혈류속도의 획득이 가능하고, 검사 비용이 저렴한 경동맥초음파검사가 많이 이용되고 있다. 이에 의하면 혈관 협착의 면적, 협착으로 인한 혈류속도 및 경화반의 길이/면적을 측정할 수 있다. 그러나 종래의 경동맥초음파검사에 의하면 협착면적은 전체 동맥경화 조직의 한 면에서의 면적을 재는 것이고, 가장 심한 협착 위치에서 측정한 혈류속도는 개인별/혈관별로 다를 뿐 아니라 동맥경화의 간접 정보이며, 경화반의 길이/면적은 장축 및 단면에 대한 정보이기 때문에 동맥경화(경화반)의 전체적인 윤곽 및 체적을 알 수가 없다.Therefore, carotid artery ultrasonography, which does not use radiation, can obtain the tissue state of arteriosclerosis and blood flow velocity in real time, and is inexpensive, is widely used. According to this, it is possible to measure the area of the vascular stenosis, the blood flow rate due to the stenosis, and the length/area of the plaque. However, according to the conventional carotid ultrasound examination, the stenosis area measures the area on one side of the entire arteriosclerotic tissue, and the blood flow velocity measured at the most severe stenosis location differs for each individual/vessel as well as indirect information on arteriosclerosis, hardening. Since the length/area of the plaque is information about the long axis and cross-section, the overall outline and volume of arteriosclerosis (hardening plaque) cannot be known.

혈류가 증가하는 국소혈관내피세포에 대하여 전단력를 증가시켜 혈관이 확장되는 현상을 이용한 초음파 상완 혈관확장 정도 검사(Flow-Mediated Dilation, FMD), 초음파기기를 이용한 경동맥 내막-중막 두께 측정(Carotid Intima-Media Thickness, IMT) 검사도 널리 활용되고 있다. 그러나 이들에 의하면 동맥경화의 정도를 간접적으로 확인하는 것(FMD)이거나, 임의 위치에서의 내중막 두께를 측정하는 것(IMT)이어서 경화반의 넓이, 부피나 형태에 대한 정보를 얻을 수 없는 단점이 있다.Ultrasonic flow-mediated dilation (FMD) using a phenomenon in which blood vessels are dilated by increasing shear force for local vascular endothelial cells that increase blood flow, and measurement of carotid intima-media thickness using ultrasound equipment (Carotid Intima-Media) Thickness, IMT) tests are also widely used. However, according to these, it is not possible to obtain information about the area, volume, or shape of the plaque because it is an indirect confirmation of the degree of arteriosclerosis (FMD) or measurement of the intima thickness at an arbitrary location (IMT). have.

등록특허 10-1059824는, 경동맥 초음파영상을 통해 상기 혈관의 내막 시작라인, 상대적 중막 시작라인, 및 외막 시작라인을 각각 분리하여 판독하고, 상기 판독한 각 라인을 통해 내막 두께와 중막 두께의 비율을 측정하는 기술을 게시하고 있다. 그러나 이에 의하면 경화반의 3차원 구조나 체적에 관한 정보를 얻을 수 없다.Registered Patent 10-1059824 discloses that the intima start line, the relative media start line, and the adventitia start line of the blood vessel are separately read through the carotid artery ultrasound image, and the ratio of the intima thickness to the media thickness is calculated through each of the read lines. Measuring techniques are posted. However, according to this, information on the three-dimensional structure or volume of the hardened disk cannot be obtained.

JP 2010-88795는 화상의 삼차원 볼륨 데이터로부터 혈관의 석회화, 혈관 내강, 혈관 외벽 및 혈관 플라그 정보를 추출하는 장치에 관한 것이다. 이에 의하면 혈관 플라그의 3차원 정보를 획득할 수 있지만, 특수한 장치 및 '삼차원 볼륨 데이터'를 필요로 한다.JP 2010-88795 relates to an apparatus for extracting information on calcification of blood vessels, blood vessel lumen, outer walls of blood vessels, and blood vessel plaque from three-dimensional volume data of an image. According to this method, three-dimensional information of vascular plaque can be obtained, but a special device and 'three-dimensional volume data' are required.

비특허문헌 2(Med Phys. 2002 Oct;29(10):2319-27.)는 3차원초음파영상장치를 활용하여 경동맥 플라그 부피의 정량화를 시도하고 있으나, 고가이며 사용이 복잡한 3차원 초음파영상장치가 요구된다.Non-Patent Document 2 (Med Phys. 2002 Oct;29(10):2319-27.) attempts to quantify carotid plaque volume using a 3D ultrasound imaging device, but a 3D ultrasound imaging device that is expensive and complicated to use. is required

등록특허 10-1059824Registered Patent 10-1059824 JP 2010-88795JP 2010-88795

http://medicalinnovation.or.kr/%ED%8C%8C%EC%9D%B4%EB%82%B8%EC%85%9C%EB%89%B4%EC%8A%A4%ED%95%9C%EA%B5%AD%EC%A7%80%EC%A7%88%C2%B7%EB%8F%99%EB%A7%A5%EA%B2%BD%ED%99%94%ED%95%99%ED%9A%8C-%EC%9D%B4%EC%83%81%EC%A7%80%EC%A7%88/http://medicalinnovation.or.kr/%ED%8C%8C%EC%9D%B4%EB%82%B8%EC%85%9C%EB%89%B4%EC%8A%A4%ED%95 %9C%EA%B5%AD%EC%A7%80%EC%A7%88%C2%B7%EB%8F%99%EB%A7%A5%EA%B2%BD%ED%99%94%ED %95%99%ED%9A%8C-%EC%9D%B4%EC%83%81%EC%A7%80%EC%A7%88/ Med Phys. 2002 Oct;29(10):2319-27.Med Phys. 2002 Oct;29(10):2319-27.

본 발명은 최소한의 동맥 2차원 초음파영상을 이용하여 동맥경화 경화반의 면적, 부피 및 형태를 간편하고 비교적 정확하게 측정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method for measuring the area, volume and shape of an atherosclerotic plaque simply and relatively accurately using a minimal two-dimensional ultrasound image of an artery.

또한 본 발명은 보편화된 통상의 초음파영상장치를 활용하여 동맥경화 경화반의 면적, 부피 및 형태를 간편하고 비교적 정확하게 측정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for simply and relatively accurately measuring the area, volume, and shape of an atherosclerotic plaque using a generalized conventional ultrasound imaging apparatus.

또한 본 발명은 손쉽고 저렴하고 안전하고 정확한 동맥경화 검사방법을 제시함으로써 환자의 신체적, 경제적 부담을 최소화하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to minimize the physical and economic burden of a patient by providing an easy, inexpensive, safe and accurate arteriosclerosis examination method.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 The present invention for achieving the above object

(A) 경화반이 있는 경동맥의 혈류방향 초음파영상('길이영상'이라 함) 및 상기 길이영상에서 경화반이 가장 두꺼운 위치(P)의 단면방향 초음파영상('단면영상'이라 함)을 획득하는 단계; (B) 장축이 상기 길이영상에서의 경화반 길이와 같고, 상기 위치(P)에서 폭이 상기 단면영상에서의 경화반 길이와 같으며, 상기 위치(P)에서 장축과 단축이 직각으로 교차하는 십자선을 작성하는 단계; 및 (C) 상기 십자선의 중심 및 장축과 단축의 네 말단의 위치 및 거리 정보로부터 소정의 수학적 방식을 이용하여 볼록한 폐곡선으로 이루어지는 사영면을 도출하는 면도출단계;를 포함하는 동맥경화 경화반 표면형상 추정방법 및 이를 이용한 경화반 3차원구조 추정방법인 것을 특징으로 한다. (A) Acquiring an ultrasound image in the blood flow direction of the carotid artery with plaque (referred to as a 'length image') and a cross-sectional ultrasound image (referred to as a 'section image') of the position (P) where the plaque is the thickest in the longitudinal image to do; (B) the major axis is equal to the length of the hardened plate in the longitudinal image, the width at the position (P) is equal to the length of the hardened plate in the cross-sectional image, and the major axis and the minor axis intersect at a right angle at the position (P) creating a crosshair; and (C) a shaving step of deriving a projection plane consisting of a convex closed curve using a predetermined mathematical method from the location and distance information of the center of the crosshair and the four ends of the major and minor axes; It is characterized in that it is an estimation method and a method for estimating the three-dimensional structure of a hardened disc using the same.

이상과 같이 본 발명에 의하면 널리 보급된 일반적인 초음파 검사장비를 활용하여 동맥경화의 정도, 협착의 범위, 경화반의 크기와 구조 등을 신속하게 측정할 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, it is possible to quickly measure the degree of arteriosclerosis, the range of stenosis, the size and structure of the plaque, and the like, by using widely available general ultrasound examination equipment.

또한 본 발명에 의하면 널리 보급된 통상의 초음파 검사장비로 동맥경화를 검사할 수 있으므로 안전하면서도 저비용이고 신속하게 동맥경화의 진단 및 환자의 경시적 추적관찰이 용이하게 된다.In addition, according to the present invention, since arteriosclerosis can be inspected using a widely spread conventional ultrasound examination device, it is easy to diagnose arteriosclerosis quickly, at low cost and safely and to follow-up the patient over time.

도 1은 혈관에 동맥경화반(atherosclerotic plaque)이 생긴 예를 보여주는 개념도.
도 2는 진행정도별 경화반의 형상과 두께를 보여주는 혈관 해부 사진.
도 3a은 본 발명에 의해 획득된 각각 하나의 초음파 길이영상 및 단면영상의 예.
도 3b는 본 발명에 의한 추정방법의 축배치단계 및 면도출단계 결과를 보여주는 예시적 도면.
도 3c은 동맥경화 진행정도에 따른 경화반의 모양 변화를 개념적으로 보여주는 도면.
도 4a는 본 발명에 의한 방법에서, 장축과 단축에서 경화반의 단면을 결정하는 과정의 일예를 보여주는 도면.
도 4b는 본 발명에 의한 방법에서 경화반 임의의 위치의 경화반 높이를 추정하는 과정을 보여주는 도면.
도 4c는 본 발명에 의한 방법에서 경화반 각 위치에서 경화반의 높이를 측정하는 과정의 일부를 보여주는 도면.
도 5a는 본 발명에 의한 방법에 의해 추정된 경화반의 3차원구조를 보여주는 개념도.
도 5b는 본 발명에 의한 방법에 따라 추정된 경화반의 3차원구조를 초음파영상과 입체적으로 결합시킨 투시도.1 is a conceptual diagram showing an example in which an atherosclerotic plaque is formed in a blood vessel.
Figure 2 is a blood vessel anatomical photograph showing the shape and thickness of the plaque according to the degree of progression.
3A is an example of one ultrasound length image and a cross-sectional image, respectively, obtained by the present invention.
3B is an exemplary view showing the results of the axial arrangement step and the shaving step of the estimation method according to the present invention;
Figure 3c is a view conceptually showing the change in the shape of the plaque according to the progression of arteriosclerosis.
4A is a view showing an example of a process for determining a cross section of a hardening plate in a long axis and a short axis in the method according to the present invention.
Figure 4b is a view showing the process of estimating the height of the hardening plate at any position in the method according to the present invention.
Figure 4c is a view showing a part of the process of measuring the height of the hardening disc at each position in the method according to the present invention.
Figure 5a is a conceptual diagram showing a three-dimensional structure of the hardening plate estimated by the method according to the present invention.
5B is a perspective view in which the three-dimensional structure of the hardening disc estimated according to the method according to the present invention is three-dimensionally combined with an ultrasound image.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다. 또한 청구범위의 구성요소에 도면부호가 병기되어 있는 경우, 이는 설명 위한 예시적인 것일 뿐 도면부호로 구성요소를 한정하려는 의도는 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the accompanying drawings are only examples for easily explaining the content and scope of the technical idea of the present invention, and thereby the technical scope of the present invention is not limited or changed. It will be natural for those skilled in the art that various modifications and changes can be made within the scope of the technical spirit of the present invention based on these examples. In addition, if reference numerals are attached to the components of the claims, this is merely an example for description and is not intended to limit the components to the reference numerals.

전술한 바와 같이 본 발명은, 최소한의 초음파영상으로부터 동맥경화 경화반의 표면형상 및 3차원구조를 추정하는 방법에 관한 것으로서, 다음과 같은 임상학적, 해부학적 특징에 기초하여 도출된 것이다(도 2 참조). As described above, the present invention relates to a method for estimating the surface shape and three-dimensional structure of an atherosclerotic plaque from a minimal ultrasound image, and is derived based on the following clinical and anatomical characteristics (see FIG. 2 ). ).

① 동맥경화 경화반은 혈류 방향으로 길게 생성된다.① Atherosclerotic plaques are formed long in the direction of blood flow.

② 동맥경화가 진행되면서 경화반의 표면형상은 가느다란 타원형에서 모서리가 둥근 직사각형으로 변형되며 경화반의 두께는 점점 두꺼워진다.② As arteriosclerosis progresses, the surface shape of the plaque changes from a thin oval to a rectangle with rounded corners, and the thickness of the plaque becomes thicker.

도 2에서 위의 두 사례는 표현형상이 가느다란 타원형이고 비교적 경화반의 두께가 얇고, 아래의 두 사례는 표면형상이 대략 직사각형이고 비교적 경화반 두께가 두꺼운 것을 볼 수 있다. [혈관과 경화반의 크기와 형태 등은 '생물학적 현상'에 의한 것이므로 수학적으로 정형화된 크기와 형태를 가질 수 없음은 당연하다.] In FIG. 2 , it can be seen that the upper two cases have a thin oval shape and a relatively thin hardened plate, and the lower two cases have an approximately rectangular surface shape and a relatively thick hardened disc. [The size and shape of blood vessels and plaques are due to 'biological phenomena', so it is natural that they cannot have a mathematically standardized size and shape.]

(1) 경화반의 표면형상 추정방법(1) Method of estimating the surface shape of the hardened disk

본 발명에 의한 경화반의 표면형상 추정방법은 영상획득단계, 축배치단계 및 면도출단계를 포함하여 이루어진다.The method for estimating the surface shape of a hardened disc according to the present invention comprises an image acquisition step , a shaft arrangement step, and a shaving step .

본 발명에서 상기 영상획득단계는, 경화반의 표면형상을 추정하기 위한 기초자료인 최소한의 초음파영상 즉, 경화반이 있는 (= 협착이 있는) 경동맥의 혈류방향 초음파영상('길이영상'이라 함) 및 상기 길이영상에서 경화반이 가장 두꺼운 위치(P)의 단면방향 초음파영상('단면영상'이라 함)을 획득하는 단계이다. 도 3a에 이렇게 획득된 각각 하나의 길이영상(왼쪽) 및 단면영상(오른쪽)의 예를 도시하였다. 첨부된 영상에서 혈관내벽과 경화반관이 명백히 구분됨을 확인할 수 있는데, 이러한 구분은 오퍼레이터에 의해 수동적으로 또는 소정의 프로그램이나 AI 등('프로그램'이라 칭하기로 함)에 의해 자동으로 이루어질 수 있을 것이다. 이하에서는 수동적으로 이루어지는 것으로 가정한다.In the present invention, the image acquisition step is a minimal ultrasound image that is the basic data for estimating the surface shape of the plaque, that is, an ultrasound image in the blood flow direction of the carotid artery with the plaque (= stenosis) (referred to as a 'length image') and acquiring a cross-sectional direction ultrasound image (referred to as a 'cross-sectional image') of the position P where the hardened disc is thickest in the length image. 3A shows examples of one length image (left) and a cross-sectional image (right) respectively obtained in this way. It can be seen from the attached image that the vascular lining and the sclerosing duct are clearly distinguished, and this distinction can be made manually by an operator or automatically by a predetermined program or AI (referred to as 'program'). Hereinafter, it is assumed that this is done passively.

이어서 상기 축배치단계에서는, 장축이 상기 길이영상에서의 경화반 길이와 같고, 상기 경화반이 가장 두꺼운 위치(P)에서 폭이 상기 단면영상에서의 경화반 길이와 같으며, 상기 위치(P)에서 장축과 단축이 직각으로 교차하는 십자선을 작성한다(도 3b에서 좌측도면 참조).Subsequently, in the axial arrangement step , the long axis is the same as the hardened plate length in the longitudinal image, the width at the position (P) where the hardened disc is the thickest is the same as the hardened disc length in the cross-sectional image, and the position (P) Create a crosshair in which the major axis and the minor axis intersect at a right angle (see the left drawing in FIG. 3B ).

상기 도 3a를 참조하면, 길이영상 및 단면영상에서 경화반의 처음과 끝(적색점으로 표시)과, 경화반의 가장 두꺼운 부분(연녹색점으로 표시) 및 그에 대응되는 바닥면(=혈관내벽)의 위치(녹색점으로 표시)를 확인할 수 있다. 따라서 장축과 단축의 길이, 장축과 단축이 직각으로 교차되는 위치(P)는 수동 또는 자동으로 결정된다.Referring to FIG. 3A, in the longitudinal and cross-sectional images, the beginning and end of the plaque (indicated by red dots), the thickest part of the plaque (indicated by light green dots), and the corresponding bottom surface (= inner wall of blood vessels) are positioned (indicated by a green dot) can be checked. Accordingly, the length of the major axis and the minor axis, and the position P at which the major axis and the minor axis intersect at a right angle are determined manually or automatically.

본 발명에서 상기 면도출단계는, 상기 십자선의 중심 및 장축과 단축의 네 말단의 위치 및 거리 정보로부터 소정의 방식 예를 들면, 다항식 근사를 활용하여 볼록한 폐곡선으로 이루어지는 사영면을 도출하는 단계이다(도 3b에서 우측도면 참조). 사영면을 도출하는 구체적인 방법은 다양한데, 아래에 두 가지 수학적 방법과 한 가지 경험적 방법을 예시한다.The side draw step in the present invention, for a predetermined manner for example from the position of the four ends of the center and the long and short axes of the cross-hair and the distance information, the method comprising utilizing a polynomial approximation to derive the four long home made of a convex closed curve ( See the right side view in FIG. 3B). There are various specific methods for deriving the projection plane, and two mathematical methods and one empirical method are exemplified below.

수학적으로 네 점이 주어지는 경우 3차의 다항식으로 표현 가능하다. 따라서 장축과 단축의 네 말단(붉은점)을 이용하여 3차의 다항식으로 폐곡선을 표현할 수 있다. Mathematically, if four points are given, it can be expressed as a polynomial of the third degree. Therefore, a closed curve can be expressed as a cubic polynomial using the four ends (red dots) of the major and minor axes.

또 다른 수학적 방법은 다음과 같다. 단축의 각 끝점에서 장축을 따라 생긴 각각의 직선을 L 또는 L'이라고 하자. 구성된 경화반의 경계의 임의의 한 점 p에서 두 직선 중 p에 가까운 직선 L(또는 L')에 내린 수선의 발을 p'라 하자. 이 두 점의 내분점을 p''라 하면 점 p''은 다음 수식 1과 같이 정의할 수 있다. Another mathematical method is: Let L or L' be each straight line along the major axis at each endpoint of the minor axis. Let p' be the foot of the waterline that falls on the straight line L (or L') closest to p among the two straight lines at any point p on the boundary of the constructed hard disk. If the internal division of these two points is p'', the point p'' can be defined as in Equation 1 below.

p'' = a*p + (1-a)*p' (수식 1)p'' = a*p + (1-a)*p' (Equation 1)

점 p''를 경화반의 새로운 경계로 사용하면, 다양한 형태의 경화반의 모양을 획득할 수 있다. 여기서 a는 경화반의 두께에 비례하여 결정할 수 있다. 예를 들면, 단축영상에서 가장 두꺼운 부분을 1로 하고, 장축을 따라서 생기는 경화반의 두께의 비율로 a를 조절할 수 있다. 단, 여기서 a는 0보다 크거나 같고 1보다 작다. [한편, 위와 같이 p''을 이용해 만든 경화반의 경계는 볼록한 폐곡선이 되지 않을 수도 있다. 이를 피하고자, 볼록화 작업을 진행한다. 볼록화 작업은 상용 또는 공개소프트웨어를 활용하여 할 수 있다.] If the point p'' is used as a new boundary of the hardened disc, various shapes of hardened discs can be obtained. Here, a may be determined in proportion to the thickness of the hardened plate. For example, the thickest part in the short-axis image may be set to 1, and a may be adjusted as a ratio of the thickness of the hardened plaque along the long axis. However, where a is greater than or equal to 0 and less than 1. [On the other hand, as above, the boundary of the hard disk made using p'' may not be a convex closed curve. To avoid this, a convex operation is performed. The embossing can be done using commercial or open software.]

도 3a의 초음파영상을 기초로 하고 위 수식 1에 따라 결정된 경화반의 형태의 세 가지 예를 도시하였다. 각 예에서 a는 0.1, 0.5 및 0.9이다. Three examples of the shape of the hardened disc determined according to Equation 1 above based on the ultrasound image of FIG. 3A are shown. In each example, a is 0.1, 0.5 and 0.9.

한편, 앞서 경화반의 진행특성에 대해 언급한 바와 같이, 동맥경화가 진행되면서 경화반은 가느다란 타원형에서 모서리가 둥근 직사각형으로 변형되며 경화반의 두께는 점점 두꺼워진다. 즉, 경화반의 두께와 경화반의 표면형상에는 상당한 정도의 임상해부학적 관련성이 있다. 이러한 경험적 사실을 면도출단계에 반영하여 경화반의 표면형상을 '경험적으로 결정'할 수 있을 것이다. 예를 들면 동맥경화의 진행정도 즉, 경화반의 최대두께에 따라 ~2㎜ 미만, 3~4㎜, 6㎜ 이상일 때 각각 도 3c에 도시한 것처럼 폐곡선 형태를 순차적으로 변화시킬 수도 있을 것이다. On the other hand, as mentioned above with respect to the progression characteristics of the plaque, as arteriosclerosis progresses, the plaque transforms from a thin oval to a rectangle with rounded corners, and the thickness of the plaque increases. That is, there is a significant clinical anatomical relationship between the thickness of the plaque and the surface shape of the plaque. By reflecting these empirical facts in the shaving stage, it will be possible to 'empirically determine' the surface shape of the hardened plate. For example, depending on the degree of progression of arteriosclerosis, that is, the maximum thickness of the plaque is less than ~2 mm, 3-4 mm, and 6 mm or more, the closed curve shape may be sequentially changed as shown in FIG. 3C , respectively.

이상과 같은 본 발명의 방법에 의해 두 개의 초음파영상으로부터 혈관내 경화반의 표면형상을 추정할 수 있게 된다. 경화반의 표면형상이 추정되므로 이를 바탕으로 경화반의 면적도 계산할 수 있음은 당연하다. By the method of the present invention as described above, it is possible to estimate the surface shape of the intravascular plaque from two ultrasound images. Since the surface shape of the hardened disc is estimated, it is natural that the area of the hardened disc can be calculated based on this.

(2) 경화반의 3차원구조 추정방법(2) Estimation method of three-dimensional structure of hardened disk

본 발명은 영상획득단계, 축배치단계, 면도출단계, 축단면결정단계, 높이결정단계 및 구조도출단계를 포함하는 동맥경화 경화반의 3차원구조를 추정할 수 있는 방법을 제시한다. 영상획득단계, 축배치단계 및 면도출단계는 전술한 바와 같기에 재설명을 생략한다.The present invention proposes a method for estimating the three-dimensional structure of an arteriosclerotic plaque including the image acquisition step , the shaft arrangement step , the shaving step , the shaft section determination step , the height determination step and the structure extraction step. Since the image acquisition step, the shaft arrangement step, and the shaving step are the same as described above, a re-description is omitted.

본 발명에서 상기 축단면결정단계는, 면도출단계를 거쳐 도출된 사영면에서, 경계의 높이를 0으로 정의하고, 상기 길이영상 및 단면영상에서의 경화반의 단면의 높이와 형태를 상기 사영면의 장축과 단축의 수직단면에 반영하는 단계이다. 여기서 '높이'란 혈관내벽면을 기준(0)으로 하는 경화반의 높이를 의미한다. In the present invention, in the axial section determination step , in the projection plane derived through the shaving step, the height of the boundary is defined as 0, and the height and shape of the cross-section of the hardened plate in the length image and the cross-sectional image are defined as that of the projection plane. It is a step to reflect on the vertical section of the major axis and minor axis. Here, 'height' means the height of the plaque with reference to the inner wall of the blood vessel (0).

도 3a로부터 오퍼레이터 또는 프로그램은 장축과 단축을 따라 경화반의 높이 즉, 장축과 단축에서의 경화반 단면의 모양과 규격을 결정할 수 있다. 도 4a에 길이영상 및 단면영상에서 장축과 단축에서의 경화반의 단면을 결정하는 과정의 일예를 도시하였다.From FIG. 3A , an operator or a program may determine the height of the hardening plate along the major axis and the minor axis, that is, the shape and standard of the cross section of the hardening board in the major axis and the minor axis. 4A shows an example of a process for determining the cross-section of the hardened disk in the long axis and the short axis in the length image and the cross-sectional image.

도 4a의 길이영상에서 주황색선은 혈관내벽(=길이방향 장축의 기준면)을, 녹색선은 장축상의 경화반 표면을 나타내며, 단면영상에서 하부의 연녹색곡선은 혈관내벽(=단면방향 단축의 기준면)을, 녹색곡선은 단축상의 경화반 표면을 나타낸다. 길이영상과 단면영상을 직선상에 펼치면 장축과 단축에서의 경화반 단면의 모양과 규격이 된다.In the longitudinal image of FIG. 4A , the orange line represents the inner vessel wall (= the reference plane of the long axis in the longitudinal direction), the green line represents the surface of the hard plaque on the long axis, and the lower light green curve in the cross-sectional image indicates the inner wall of the blood vessel (= the reference plane of the short axis in the cross-sectional direction). , and the green curve represents the uniaxial surface of the hardened plate. When the length image and the cross-sectional image are spread on a straight line, the shape and size of the hardened plate cross-section in the major axis and the minor axis are obtained.

이어서 상기 높이결정단계에서, 상기 사영면의 경계, 상기 사영면의 장축과 단축의 수직단면을 참조하여 사영면 임의 위치(x, y)에서의 경화반 표면 높이를 계산한다. 즉, 높이결정단계는 사영면 내부 임의 위치의 높이를 추정하는 과정이다. 도 4b를 참조하여 설명한다.Then, in the height determination step , the surface height of the hardened plate at any position (x, y) of the projection plane is calculated with reference to the boundary of the projection plane and the vertical cross-sections of the major and minor axes of the projection plane. That is, the height determination step is a process of estimating the height of an arbitrary position inside the projection plane. It will be described with reference to FIG. 4B.

이제 추정된 경화반의 표면형상에서 사영면 내부 임의의 한점과 상기 장축 또는 단축의 최소한 어느 하나를 통과하는 직선은 항상 경계면과 두 번 만나게 된다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 도 4b에서처럼 상기 직선은 각각 장축과 단축에 평행인 두 직선(각각 청색선 및 적색선)을 예시한다. 이때 청색선을 포함하면서 기준면에 수직인 평면상에 높이를 아는 세 개의 점(p1, p2, p3)이 존재하게 되므로 세 점을 통과하는 2차함수를 구할 수 있고 점 p의 위치를 알고 있으므로 결국 점 p의 높이 u1을 계산할 수 있다. 동일한 방식으로 적색선과 관련하여 또 다른 점 p의 높이 u2도 계산할 수 있다. 오퍼레이터 또는 프로그램은 u1, 또는 u2 중 어느 하나를 점 p에서의 높이(=경화반의 두께)로 정할 수도 있고 u1과 u2를 변수로 하는 적절한 함수를 통해 높이를 정할 수도 있을 것이다. 함수를 이용하는 경우 예를 들면 다음 수식 2와 같은 편미분 방정식에 의해 두께를 결정할 수 있다. 이 경우 삼각화된 영역위에서 유한요소법에 따라 수치해석하는 방법을 택할 수 있다(도 4c 참조).Now, on the estimated surface shape of the hardening disk, a straight line passing through an arbitrary point inside the projection plane and at least one of the major axis or the minor axis always meets the interface twice. Hereinafter, for convenience of explanation, the straight line exemplifies two straight lines (blue and red lines, respectively) parallel to the major axis and the minor axis, respectively, as in FIG. 4B . At this time, since there are three points (p1, p2, p3) of known height on the plane perpendicular to the reference plane, including the blue line, a quadratic function passing through the three points can be obtained and the position of the point p is known. We can calculate the height u1 of the point p. In the same way, the height u2 of another point p with respect to the red line can be calculated. The operator or the program may determine either u1 or u2 as the height at the point p (= the thickness of the hardening plate), or may determine the height through an appropriate function using u1 and u2 as variables. When a function is used, the thickness can be determined by, for example, a partial differential equation as in Equation 2 below. In this case, a numerical analysis method according to the finite element method on the triangulated region may be selected (see FIG. 4c ).

(수식 2)

(Equation 2)

[

는 각 곡면에서 좌표 (x, y)인 p 위치의 높이에 관한 함수, [

is a function of the height of the position p, which is the coordinate (x, y) on each surface,

는 편도함수 기호,

is the partial derivative symbol,

f(x, y)는 상기 두 2차함수의 최고차항 계수의 2배의 합]f(x, y) is the sum of twice the coefficients of the highest order terms of the two quadratic functions]

마지막으로 구조도출단계에서는, 전술한 높이결정단계에서 사영면의 임의의 점들에서의 경화반 두께가 계산된 것과 장축 및 단축의 수직단면 두께 정보를 모두 반영하여 경화반의 3차원구조를 도출한다. 이때 기준면(혈관내면)을 평면으로 표현할 수도 있고, 실제를 반영하여 기준면을 혈관내면의 둥근 단면형태가 되도록 변형할 수 있을 것이다. 도 5a에 기준면과 실제 혈관내면을 동일하게 한 경화반의 단독 3차원구조를, 도 5b에 이를 도 3a에 도시된 초음파영상과 입체적으로 결합시킨 투시도를 각각 도시하였다. 의료인은 도 5b와 같은 입체 투시도를 환자의 동맥경화의 진행정도를 진단하고 환자에게 설명하는데 적절히 활용할 수 있을 것이다.Finally, in the structure derivation step , the three-dimensional structure of the hardened board is derived by reflecting both the thickness of the hardened board at arbitrary points of the projection plane in the above-described height determination step and the vertical section thickness information of the major axis and minor axis. In this case, the reference plane (the inner surface of the blood vessel) may be expressed as a flat surface, and the reference surface may be modified to have a round cross-sectional shape of the inner surface of the blood vessel by reflecting the reality. In FIG. 5A, a single three-dimensional structure of a hardened plaque with the same reference plane and the actual inner surface of the blood vessel is shown, and FIG. 5B is a perspective view in which it is three-dimensionally combined with the ultrasound image shown in FIG. 3A. Medical personnel will be able to properly utilize the stereoscopic view as shown in FIG. 5B to diagnose and explain to the patient the progress of arteriosclerosis of the patient.

본 발명에 의해 경화반의 3차원구조와 규격이 도출되므로 이를 바탕으로 경화반의 체적을 계산하여 진단과 설명에 활용할 수 있음도 당연하다.Since the three-dimensional structure and specifications of the hardened disc are derived by the present invention, it is natural that the volume of the hardened disc can be calculated based on this and used for diagnosis and explanation.

본 발명은, 전술한 동맥경화 경화반 표면형상 추정방법 및 3차원구조 추정방법을 프로세서가 수행하도록 하기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램 형태 또는 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체를 포함한다.The present invention includes a computer program in the form of a computer program stored in a computer readable recording medium or a computer readable recording medium in which the program is stored in order for a processor to perform the above-described method for estimating the surface shape of atherosclerotic plaque and estimating the three-dimensional structure.

본 발명에서 설명에 사용된 초음파영상은 경동맥에 대한 것이지만 본 발명에 의한 방법은 경동맥 뿐만 아니라 혈관의 길이방향과 단면방향 영상을 얻을 수 있는 동맥이라면 뇌혈관, 심장혈관 또는 팔다리 혈관 모두에도 적용이 가능할 것이다.Although the ultrasound image used in the description in the present invention is for the carotid artery, the method according to the present invention can be applied to all of the cerebrovascular, cardiovascular, or limb blood vessels as long as it is an artery that can obtain longitudinal and cross-sectional images of blood vessels as well as the carotid artery. will be.

또한 본 발명에 대한 이상의 설명에서 하나의 길이영상과 하나의 단면영상을 기반으로 하였지만 이는 비용의 최소화를 염두에 둔 것으로서 여건이 된다면 복수의 길이영상과 복수의 단면영상을 기초로 하여 동일한 기술적 사상을 적용하여 보다 정교하고 정확한 경화반의 표면형상과 면적, 3차원구조와 체적을 추정할 수 있음은 당연할 것이다.In addition, in the above description of the present invention, one length image and one cross-sectional image were based, but this is with the minimization of cost in mind. It would be natural to be able to estimate the surface shape, area, three-dimensional structure and volume of the hardening plate more precisely and accurately by applying it.

Claims (9)

(A) 경화반이 있는 경동맥의 혈류방향 초음파영상('길이영상'이라 함) 및 상기 길이영상에서 경화반이 가장 두꺼운 위치(P)의 단면방향 초음파영상('단면영상'이라 함)을 획득하는 영상획득단계;
(B) 장축이 상기 길이영상에서의 경화반 길이와 같고, 상기 위치(P)에서 폭이 상기 단면영상에서의 경화반 길이와 같으며, 상기 위치(P)에서 장축과 단축이 직각으로 교차하는 십자선을 작성하는 축배치단계;
(C) 상기 십자선의 중심 및 장축과 단축의 네 말단의 위치 및 거리 정보로부터 소정의 수학적 방식을 이용하여 볼록한 폐곡선으로 이루어지는 사영면을 도출하는 면도출단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 동맥경화 경화반 표면형상 추정방법.
(A) Acquiring an ultrasound image in the blood flow direction of the carotid artery with plaque (referred to as a 'length image') and a cross-sectional ultrasound image (referred to as a 'section image') of the position (P) where the plaque is the thickest in the longitudinal image image acquisition step;
(B) the major axis is equal to the length of the hardened plate in the longitudinal image, the width at the position (P) is equal to the length of the hardened plate in the cross-sectional image, and the major axis and the minor axis intersect at a right angle at the position (P) Axial arrangement step of creating a crosshair;
(C) a shaving step of deriving a projection plane consisting of a convex closed curve using a predetermined mathematical method from the location and distance information of the center of the crosshair and the four ends of the major and minor axes;
Atherosclerotic plaque surface shape estimation method comprising a.
청구항 1에 있어서,
상기 사영면은,
소정의 프로그램에 의해, 경화반의 가장 두꺼운 두께(높이)에 반비례하여 타원형에서 직사각형으로 조정되는 것을 특징으로 하는 동맥경화 경화반 표면형상 추정방법.
The method according to claim 1,
The projection plane is
A method for estimating the surface shape of an arteriosclerotic plaque, characterized in that it is adjusted from an oval to a rectangle in inverse proportion to the thickest thickness (height) of the plaque by a predetermined program.
청구항 1 또는 2에 의한 동맥경화 경화반 표면형상 추정방법을 프로세서가 수행하도록 하기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
A computer program stored in a computer-readable recording medium to enable a processor to perform the method for estimating the surface shape of an arteriosclerotic plaque according to claim 1 or 2.
청구항 3에 의한 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
A computer-readable recording medium in which the computer program according to claim 3 is stored.
(A) 경화반이 촬영된 경동맥의 혈류방향 초음파영상('길이영상'이라 함) 및 상기 길이영상에서 경화반이 가장 두꺼운 위치(P)의 단면방향 초음파영상('단면영상'이라 함)을 획득하는 영상획득단계;
(B) 장축이 상기 길이영상에서의 경화반 길이와 같고, 상기 위치(P)에서 폭이 상기 단면영상에서의 경화반 길이와 같으며, 상기 위치(P)에서 장축과 단축이 직각으로 교차하는 십자선을 작성하는 축배치단계;
(C) 소정의 프로그램에 의해, 상기 십자선의 중심 및 장축과 단축의 네 말단의 위치 및 거리 정보로부터 소정의 방식으로 볼록한 폐곡선으로 이루어지는 사영면이 도출되는 면도출단계;
(D) 상기 사영면 경계의 높이를 0으로 정의하고, 상기 길이영상 및 단면영상에서의 경화반의 단면의 높이와 형태를 상기 사영면의 장축과 단축의 수직단면에 반영하는 축단면결정단계;
(E) 상기 사영면의 경계, 상기 사영면의 장축과 단축의 수직단면을 참조하여 사영면 임의 위치(x, y)에서의 경화반 표면 높이를 계산하는 높이결정단계; 및
(F) 상기 사영면의 장축과 단축의 수직단면 및 상기 사영면 임의 위치의 표면 높이 정보로부터 경화반의 3차원구조를 도출하는 구조도출단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 동맥경화 경화반의 3차원구조 추정방법.
(A) A blood flow direction ultrasound image (referred to as a 'length image') of the carotid artery in which the plaque was taken, and an ultrasound image in the cross-sectional direction (referred to as a 'cross-sectional image') of the position (P) where the plaque is the thickest in the longitudinal image. image acquisition step to acquire;
(B) the major axis is equal to the length of the hardened plate in the longitudinal image, the width at the position (P) is equal to the length of the hardened plate in the cross-sectional image, and the major axis and the minor axis intersect at a right angle at the position (P) Axial arrangement step of creating a crosshair;
(C) a shaving step of deriving a projection plane composed of a convex closed curve in a predetermined manner from the location and distance information of the center of the crosshair and the four ends of the major and minor axes by a predetermined program;
(D) defining the height of the projection plane boundary as 0, and reflecting the height and shape of the cross-section of the hardened plate in the longitudinal image and the cross-sectional image to the vertical sections of the major axis and the minor axis of the projection plane;
(E) a height determination step of calculating the height of the surface of the hardening plate at an arbitrary position (x, y) of the projection plane with reference to the boundary of the projection plane and the vertical section of the major axis and the minor axis of the projection plane; and
(F) a structure deriving step of deriving a three-dimensional structure of the hardening plate from the vertical section of the major axis and the minor axis of the projection plane and the surface height information at an arbitrary position on the projection plane;
A method for estimating the three-dimensional structure of atherosclerotic plaque, comprising:
청구항 5에 있어서,
상기 사영면은,
소정의 프로그램에 의해, 경화반의 가장 두꺼운 두께(높이)에 반비례하여 타원형에서 직사각형으로 조정되는 것을 특징으로 하는 동맥경화 경화반의 3차원구조 추정방법.
6. The method of claim 5,
The projection plane is
A method for estimating the three-dimensional structure of an arteriosclerotic plaque, characterized in that it is adjusted from an oval to a rectangle in inverse proportion to the thickest thickness (height) of the plaque by a predetermined program.
청구항 5에 있어서,
상기 높이결정단계에서 사영면 임의 위치(x. y)의 표면 높이는.
임의 위치(x. y)에서 상기 장축에 평행인 선과 단축의 교차점(x, 0) 및 경계선의 교차점(x, Y) 사이의 거리 및 단축의 교차점(x, 0)에서의 표면 높이로부터 계산되는 제1높이와,
임의 위치(x. y)에서 상기 단축에 평행인 선과 단축의 교차점(0, y) 및 경계선의 교차점(X, y) 사이의 거리 및 단축의 교차점(0, y)에서의 표면 높이로부터 계산되는 제2높이로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 동맥경화 경화반의 3차원구조 추정방법.
6. The method of claim 5,
The height of the surface at any position (x. y) of the projection plane in the height determination step.
Calculated from the distance between the intersection (x, 0) of a line parallel to the major axis and the minor axis at an arbitrary position (x. y) and the intersection point of the boundary line (x, Y) and the surface height at the intersection of the minor axis (x, 0) a first height;
Calculated from the distance between the intersection of a line parallel to the minor axis (0, y) and the intersection of the boundary line (X, y) at an arbitrary location (x. y) and the surface height at the intersection of the minor axis (0, y) A three-dimensional structure estimation method of atherosclerotic plaque, characterized in that it is determined from the second height.
청구항 5 내지 7 중 어느 한 항에 의한 경화반의 3차원구조 추정방법을 프로세서가 수행하도록 하기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
A computer program stored in a computer-readable recording medium so that the processor performs the method for estimating the three-dimensional structure of the hardening board according to any one of claims 5 to 7.
청구항 8에 의한 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.A computer-readable recording medium in which the computer program according to claim 8 is stored.

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