공간 주파수 분석을 이용한 뼈와 같은 구조의 평가 document_id A220623065126

섬유성 구조는 (치밀골(cortical bone)의 더욱 밀집된 외부 뼈대(outer shell)에 대한) 뼈의 신진대사 변화(metabolic change)에 매우 민감하고, 또한 뼈의 전체 강도에 대한 중요한 기여자(contributor)이다. 이에 따라, 이 섬유성 구조는 질병 및 치료를 추적하기 위한 적절한 중개 마커(surrogate marker)이다. 뼈 질병의 영향 골다공증 및 다른 덜 보편적인 질병을 포함하는 골격계(skeletal system)의 질병은 노인, 특히 여성의 건강에 큰 위협이다. 뼈 질병의 중요성은 2004 Surgeon General 보고서 "Bone Health and Osteoporosis(뼈 건강 및 골다공증)"와, "the Decade of the Bone and Joint(뼈 및 관절의 10년)"이라는 2002-2011 선언으로부터 명백하다. 50세 이상의 1000만 명 이상의 미국인은 골다공증을 앓고 있고(골질량(bone mass)의 감소로 인한 골격계의 약화), 추가적으로 3400만 명이 그 위험에 놓여 있다. 골다공증으로 인해 매년 150만 건 이상의 골절이 발생하며, 직접적인 치료 비용이 대략 150억 달러이고, 생산성 손실과 관련된 비용이 수십억 달러 이상이며, 골절과 관련된 사망 위험이 3배 증가한다. 50세 이상의 인구 중에서 적어도 50% 이상이 골다공증을 앓고 있거나 그 위험에 처해 있으므로, 계속적인 인구 노령화는 골절의 횟수와, 그 관련된 경제 및 사회적인 영향을 2020년까지 2배 이상으로 되게 할 것이다. 골다공증의 증상 및 치료 뼈 생성 주기는 수차례의 단계를 거치며, 전형적으로는 20대 초반에 최고이고 그 후에는 점차 감소한다. 중년, 특히 폐경기 이후의 여성에 있어서는, 뼈의 순수한 생성이 감소할 수 있고, 섬유성 골(trabecular bone) 즉, 치밀골의 외부 뼈대를 지지하는 로드(rod) 및 판(plate)의 구조가 얇아지고 약해진다. 골다공증이 있는 뼈의 얇아지고 더욱 다공성인 뼈 구조로부터 발생하는 뼈 강도의 손실은 히프(hip)와 스파인(spine)과 같은 취약한 영역에서 골절의 위험을 증가시킨다. 히프와 스파인에서 이러한 골절의 대부분이 나타나고 있지만, 이러한 부위는 종골(calcaneous)(heel bone : 발꿈치 뼈) 및 원위부 요골(distal radius)보다 촬영하기가 더욱 어렵다. 골다공증은 전신 신진대사 질병(systemic metabolic disease)이고 체중부하 뼈(weight-bearing bone)는 질병 상태의 훌륭한 표시자(indicator)이므로, 이러한 뼈 중의 어느 하나의 이미지는 전체적으로 환자의 골격계에서의 질병의 진행을 나타낸다. 종골은 체중부하 뼈이고 자기공명 촬영기 또는 자기공명 촬영(MRI : Magnetic Resonance Imager or Imaging)을 이용하여 비교적 쉽게 촬영할 수 있으므로, 섬유성 구조를 평가하기에 특히 양호한 뼈이다. 골다공증은 노화의 피할 수 없는 결과는 아니다. 흡연 중단, 적당한 운동, 및 칼슘과 비타민 D의 충분한 복용을 포함한 적절한 생활 방식을 선택하면 뼈 손상 및 골절 위험을 감소시킬 수 있다. 골다공증의 치료를 위해 몇 가지 약도 이용 가능하다. Fosamax™ 및 Actonel™ 을 포함하는 비스포스포네이트(Bisphosphonate)는 뼈의 재흡수(resorption)를 감소시키는 먹는 약품(oral agent)이다. Forteo™ 라는 명칭으로 판매되는 테리파라타이드(Teriparatide)는 뼈 성장을 자극하는 동화 호르몬 추출물(anabolic hormone extract)이지만, 매일 주사로 관리해야 한다. 호르몬 요법의 다른 형태도 뼈의 성장을 자극하는 것이지만, 최근의 임상 시험에서 알려진 바와 같이 부작용의 위험을 상당히 안고 있다. 적당한 치료는 시의 적절하고 정확한 진단을 필요로 한다. 골다공증 진단에 있어서의 현재의 표준은 듀얼 에너지 x-선 흡수계측(DEXA : Dual Energy X-ray Absorptiometry)에 의한 골밀도(BMD : Bone Mineral Density)의 측정이다. 미합중국의 최신 연구에 따르면, DEXA가 충분히 활용되고 있지 않으며, 일부는 DEXA의 비용 때문이지만 대부분은 지식의 부족으로 인해, 위험군에 속하는 인구의 25% 미만이 BMD 테스트를 받고 있다고 되어 있다. 더욱 관심이 가는 것은, DEXA 측정이 골절 위험을 적절하게 예측하지 못하며 특히, 진료의 효율성을 평가함에 있어서 부적절하다는 명백한 증거에 기초하여, 의사들이 DEXA의 임상 적합성에 의문을 제기하기 시작했다는 사실이다. 이러한 관심의 결과로, 정량적 컴퓨터 단층촬영(quantitative computed tomography), 초음파 촬영 및 자기공명 촬영을 포함하는 다수의 다른 촬영 방식이 DEXA의 대안으로서 연구되고 있다. 대부분의 물질과 마찬가지로, 골절에 대한 뼈의 저항성은 밀도뿐만 아니라, 섬유성 로드 및 판의 상대적인 일부분을 포함하는 뼈의 구조와, 섬유성 로드 및 판의 두께 및 방위에도 의존한다. 본질적으로 3차원 기술인 MRI는 골절 저항을 결정하는 상세한 구조의 결정에 매우 적합하다. 골다공증의 진단을 위해 현재 연구되고 있는 MRI 기술은 매우 고해상도의 이미지의 획득을 필요로 할 뿐만 아니라, 다수의 이미지 프로세싱 동작을 필요로 한다. 생체 뼈의 이미지는 특화된 코일을 이용한 고 자기장의 MRI 시스템과, 긴 검사 시간에 의해 획득될 수 있다. 조심스러운 환자 위치설정 및 안정화도 요구된다. 이러한 고 자기장 시스템은 약 200만 달러의 비용이 들며, 방사선 전문가에 의해 감독되는 조심스럽게 제어되는 환경에 실장될 필요가 있다. 본 명세서에 개시된 발명은 전형적인 의사의 사무실에 실장될 수 있고 20만 달러 미만의 비용이 드는 장치를 가능하게 한다. 단단한 뼈(즉, 섬유주(trabecula) 및 치밀골의 경화된 구조)는 매우 낮은 신호를 제공하는 반면, (섬유성 격자 사이의 공간을 채우는) 골수는 높은 신호를 제공하여, 양호한 콘트라스트(contrast)와 양호한 신호 대 잡음을 제공하므로, 몇 가지 방식의 자기 공명(MR)은 생체 뼈를 측정하기에 특히 적합하다. 그러나, 고 자기장 시스템의 높은 비용과, 미세한 구조를 분해하기 위한 긴 획득 시간에 대한 필요성은, 환자(촬영된 신체 부분)가 획득 도중에 이동하지 않아야 하는 요건과 결합되어, 이러한 목적을 위한 표준 MRI의 구현을 실행 불가능한 레벨로 만든다. MRI는 1차원의 반복적인 파형(예를 들어, 시간의 함수인 신호 진폭(signal amplitude) 또는 선형 위치의 함수인 세기(intensity))이 적절한 계수(k 값)를 갖는 주기가 감소하는(주파수가 증가하는) 일련의 사인 파형의 합으로서 표현될 수 있음을 기술하는 퓨리에 전개(Fourier expansion)의 계산에 대한 확장에 기초하고 있다. MRI에서, 촬영될 항목(신체 부분)은 3차원 대상물이다. 1차원 k 값의 기본적인 개념은 2차원 또는 3차원으로 확장될 수 있다. 이제, 일련의 k 값이 아니라, k 값의 2차원 또는 3차원 행렬이 존재하며, 각각의 k 값은 특정한 공간 주파수 및 샘플의 방향을 나타낸다. 퓨리에 분석에서, k 값으로부터 희망하는 파형으로 변환하는 것(시간에 따라 변하는 신호에 대한 크기 대 시간, 또는 MRI의 경우에 대한 이미지 세기 대 위치)은 퓨리에 변환(Fourier transform)을 이용하여 달성된다. 간단한 의미의 퓨리에 변환은 (시간에 따라 변하는 신호에 대한) 주파수 도메인(frequency domain) 및 시간 도메인 사이의 변환을 위한 잘 알려진 수단이다. MRI의 경우에서와 같이, 이미지에 대해, 공간 주파수 도메인(k 공간이라 칭하는 사인 파형의 급수 및 그 계수)과 촬영된 체적(volume)의 각각(복셀(voxel))에 대한 신호 세기의 공간 배열 사이에서 변환하기 위해 퓨리에 변환이 이용된다. 시간에 따라 변하는 신호의 경우, 즉, k 값이 소정 주기의 사인 파형에 대한 계수인 경우와 유사하게, MRI의 경우의 k 값은 소정 파장을 갖는 사인 파형에 대한 계수이다(이 경우, 파장은 공간 주파수와 반대의 관계에 있고, 다시 말하면, 긴 파장은 낮은 공간 주파수이다). 오늘날의 MRI 기술은 이미지를 획득하기 위해 다수의 방법을 이용한다. 사실상, 모든 방법은 k 공간 계수를 수집한 다음, 이 계수를 이미지(또는 3D 획득에서와 같이 이미지의 세트(set)) 퓨리에 변환하는 것에 의존하고 있다. 가장 단순한 추출 방법에서는, 촬영될 부분을 강한 자기장에 배치하고, 수소 핵의 공진 주파수에 동조된 펄스 형태의 무선 주파수 전자기 신호를 샘플에 전송하여 샘플에서 수소 핵을 여기(excite)시킴으로써, 이미지 추출이 달성된다. 이 펄스는 그 공진 주파수에서 핵 공진을 시작시킨다. 그 다음, 샘플에서 신호가 어디서 나오는지에 대한 정보를 얻기 위하여, 여기된 수소 원자의 스핀(spin)은 주파수 및 위상의 조합에 의해 부호화되며, 그 여기(excitation)를 통해 획득되는 희망하는 k 공간 데이터에 대응하여 부호화한다. (여기서, 위상 및 주파수는 수소 핵의 공진 주파수 및 위상을 말한다). 핵의 공진 주파수를 자기장에 대응하여 공간상에서 변경시키고 그 위상을 변조하기 위하여, 자기장을 공간상에서 그리고 시간적으로 변조함으로써 부호화가 달성된다. 그 다음, 샘플의 여기된 수소 핵으로부터 신호가 다시 수신되고, k 값은 이 신호로부터 추출된다. 이러한 여기, 부호화 및 신호 획득의 프로세스는 샘플에서 희망하는 특징을 분해하기에 충분할 정도로 높은 공간 주파수에 의해 k 공간 값의 전체 행렬(퓨리에 급수를 구성하기 위해 적절히 선택됨)이 획득될 때까지 반복된다. 최종적으로, k 값의 행렬은 퓨리에 변환되어 이미지 또는 이미지들을 생성한다. 현재의 MRI 시스템에 관한 기술에서 사용되고 있는 이러한 주제에는 많은 변형 및 확장이 존재한다. 하나의 방법은 주파수 부호화를 이용하여 얇은 슬라이스(slice)에 신호를 위치결정(localize)하고, 이러한 2차원 슬라이스의 각각에 대해 k 값을 생성한다. 삭제