KR101515400B1 - Patient specific diagnostic device and method using lattice-Boltzmann assisted medical imaging - Google Patents
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Abstract
본 발명은 GPU 기반의 격자 볼츠만 기법을 활용한 환자 맞춤형 혈류 해석 방법 및 혈류 진단 장치에 관한 것이다.
본 발명의 GPU 기반의 격자 볼츠만 기법을 활용한 환자 맞춤형 혈류 해석 방법은 의료 영상 장치로 환부를 스캔 하여 영상 데이터를 획득하는 영상 획득 단계; 격자 볼츠만 기법(LBM:Lattice Boltzmann method)에 의해 분석 가능하도록 획득한 영상 데이터를 격자 좌표계로 변환시키는 이미지 변환 단계; 상기 변환된 이미지를 격자 볼츠만 기법에 의해 혈류를 해석하는 혈류 해석 단계; 및 상기 해석된 혈류를 디스플레이장치를 통해 보여주는 디스플레이 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 GPU 기반의 격자 볼츠만 기법을 활용한 환자 맞춤형 혈류 진단 장치는 환부를 스캔 하여 영상 데이터를 획득하는 의료 영상 촬영부; 격자 볼츠만 기법(LBM:Lattice Boltzmann method)에 의해 분석 가능하도록 획득한 영상 데이터를 격자 좌표계로 변환시키는 의료영상 변환부; 상기 변환된 이미지를 격자 볼츠만 기법에 의해 혈류를 해석하는 의료영상 연산부; 및 상기 해석된 혈류를 디스플레이장치를 통해 보여주는 의료영상 디스플레이부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a patient-customized blood flow analysis method and a blood flow diagnostic apparatus utilizing a GPU-based lattice Boltzmann technique.
The patient-customized blood flow analysis method using the GPU-based lattice Boltzmann technique of the present invention includes an image acquiring step of acquiring image data by scanning the affected part with a medical imaging device; An image transforming step of transforming image data obtained by analyzing by a Lattice Boltzmann method (LBM) into a grid coordinate system; A blood flow analyzing step of analyzing the blood flow by the grid Boltzmann technique; And a display step of displaying the analyzed blood flow through a display device.
The patient-customized blood flow diagnostic apparatus utilizing the GPU-based lattice Boltzmann technique of the present invention includes a medical image capturing unit for acquiring image data by scanning a lesion portion; A medical image converting unit for converting image data obtained by analyzing by a Lattice Boltzmann method (LBM) into a grid coordinate system; A medical image calculation unit for analyzing the blood flow by the grid Boltzmann technique; And a medical image display unit for displaying the analyzed blood flow through a display device.
Description
본 발명은 GPU 기반의 격자 볼츠만 기법을 활용한 환자 맞춤형 혈류 영상 진단 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환자 고유의 혈액 정보를 적용하여, Graphic Processing Unit(GPU) 기반의 격자 볼츠만 기법을 통하여 계산된 혈류의 전단 속도 및 전단 응력이 반영된 혈관 및 혈류를 디스플레이함으로써 환자의 혈류를 진단하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a method and apparatus for patient-customized blood flow imaging using a GPU-based lattice Boltzmann technique, and more particularly, to a method and apparatus for a patient-customized blood flow imaging using a GPU-based lattice Boltzmann technique, The present invention relates to a method and an apparatus for diagnosing a blood flow of a patient by displaying blood vessels and blood flow in which the shear rate and shear stress of the blood flow are reflected.
뇌혈관 협착증은 뇌 속에 퍼져 있는 모세혈관이 좁아져 뇌신경에 공급되는 혈류량이 줄어들어 나타나는 증세이며, 뇌혈관에 혈액순환장애를 일으켜 중풍의 원인이 되기도 하고 심하면 사망할 수도 있는 병이다. 또한, 경동맥 협착증은 경동맥의 혈관벽 내에 지방이 축적되고 근육세포들이 증식하면서 혈관 내경이 좁아져 나타나는 증세이며 혈류를 감소시키거나 혈관을 막게 되어 허혈성 뇌졸중의 원인이 된다. 따라서 협착증은 조기 발견과 예방이 무엇보다 중요한 질병이라고 할 수 있다.Cerebrovascular stenosis is a symptom in which the capillary blood vessels spread in the brain are narrowed and blood flow to the brain nerves is reduced. It causes blood circulation disorder in the cerebral blood vessels, which may cause a stroke or even death. Carotid stenosis is a condition in which fat accumulates in the blood vessel wall of the carotid artery and muscle cells grow, narrowing the internal diameter of the blood vessel, which causes blood flow reduction or blood vessel clogging, which causes ischemic stroke. Therefore, early detection and prevention of stenosis is the most important disease.
종래에는 컴퓨터 단층 촬영(CT), 또는 뇌 자기 공명 영상(MRI)으로 환자의 환부를 촬영하여, 스캔된 영상을 의사가 직접 육안으로 혈관의 두께를 판단하는 방식으로 협착증을 진단하고 있다. 하지만, 이러한 검사는 의사의 주관적인 견해에 따라 진단하는 것으로, 의사에 따라 협착증을 발견하지 못할 수도 있는 가능성이 항상 존재한다는 문제가 존재하였다.Conventionally, a patient's lesion is photographed with a CT (Computed Tomography) or Brain Magnetic Resonance Imaging (MRI), and a doctor examines the scanned image directly to determine the thickness of a blood vessel. However, these tests are diagnosed according to the physician's subjective opinion, and there is always the possibility that the physician may not be able to detect the stenosis.
또한, 혈관 속에 조영제를 투입하고, X선 촬영을 하여 뇌혈관 이상 유무를 확인하는 혈관 조영검사가 협착증 진단 방법으로 이용되고 있으나, 이는 혈관에 도관(카테터)를 삽입하고 적절한 양의 조영제를 주입하여야 하므로, 도관이 들어간 자리에 출혈이 발생하면 붓거나 멍이 들 수 있고, 감염이 된다면 항생제를 복용하거나 수술을 해야 하는 부작용이 있다. 또한, 삽입된 조영제에 의해 알레르기 반응으로 두드러기가 나거나 심하면 호흡 곤란이 올 수도 있다는 문제가 존재하였다.In addition, an angiographic examination to check for the presence of cerebrovascular abnormality by injecting contrast agent into a blood vessel and using X-ray is used as a diagnostic method for stenosis. However, a catheter is inserted into a blood vessel and an appropriate amount of contrast agent is injected If bleeding occurs at the site of the catheter, swelling or bruising may occur. If the infection occurs, there is a side effect of taking antibiotics or performing surgery. In addition, there was a problem that urticaria caused by an allergic reaction due to the inserted contrast agent, or severe dyspnea may occur.
상기 문제점을 해결하기 위해, 전산 유체를 이용한 혈관계 모델링을 이용하여, 전단 응력 또는 전단 속도를 도시화하여, 혈관 관련 질병을 조기 진단하는 방법이 각광받고 있다. 그러나 혈관을 온전히 모델링하는 것은 매우 어려운 일이다. 혈관의 복잡성과 혈액의 점도성, 혈류의 주기적 흐름 등 고려해야만 하는 요소들이 다수 존재한다.In order to solve the above problems, a method for early diagnosis of vascular-related diseases is publicized by making the shear stress or shear rate urbanized using the vascular system modeling using computational fluid. However, modeling the vessel completely is very difficult. There are many factors to consider such as complexity of blood vessels, viscosity of blood, and periodic flow of blood flow.
이러한 사항들을 모델링 안에 성공적으로 반영시키기 위하여 수많은 기법들이 개발되었다. 그들 중 하나인 격자 볼츠만 기법 (LBM:lattice Boltzmann Method)은 혈관의 복잡한 형상을 격자 형태로 쉽게 표현할 수 있게 해 주었다. 확률 분포 함수를 지배방정식으로 이용하고 있는 이 격자 볼츠만 기법은 현실적인 경계조건의 처리방식 역시 사실적인 혈관 모델링에 큰 도움이 되었다. 모델링 영역의 밖, 특히 출구 경계 바깥에 존재하는 수많은 혈관들의 특성을 올바르게 나타내기 위하여 개발된 임피던스 경계조건은 혈액의 파 반사(wave reflection) 현상을 올바르게 구현하는 데 크게 기여하였다.Numerous techniques have been developed to successfully incorporate these considerations into modeling. One of them, the lattice Boltzmann Method (LBM), made it possible to easily express complex shapes of blood vessels in a lattice form. This lattice Boltzmann technique, which uses a probability distribution function as a governing equation, has also helped realistic boundary condition processing to realistic vessel modeling. Impedance boundary conditions developed to accurately characterize numerous blood vessels outside the modeling region, especially outside the exit boundary, have contributed to the correct implementation of wave reflections in the blood.
하지만, 종래의 격자 볼츠만 기법을 통한 혈류해석방법은, 환자들마다 상이한 혈액의 점도 특성을 반영하지 않고, 혈액을 뉴턴 유체로 가정하여 해석을 수행함으로써 혈류해석단계에서 구한 혈액의 전단 속도 및 전단 응력의 정확도가 감소하는 문제가 있었다. However, the conventional method of analyzing blood flow through the lattice Boltzmann technique does not reflect the viscosity characteristics of different blood for each patient, but performs analysis based on the assumption that the blood is a Newtonian fluid. Thus, the blood shear rate and shear stress There is a problem in that the accuracy of the sensor is reduced.
또한, 종래의 격자 볼츠만 기법은 모두 CPU에서 구현되어 계산 속도가 떨어져서, 의사가 진단 계획을 세우고 실제로 치료를 하기까지의 시간이 지연되는 문제점이 있었다.
In addition, the conventional lattice Boltzmann technique is implemented in the CPU and the computation speed is lowered, so that there is a problem in that the time required for the physician to make a diagnosis plan and actually perform the treatment is delayed.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 환자 고유의 혈액 정보를 적용하여, 격자 볼츠만 기법을 통하여 계산된 혈류의 전단 속도 및 전단 응력이 반영된 혈관 및 혈류를 디스플레이하여 혈류를 해석하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a blood pressure monitor which displays blood vessels and blood flow reflecting shear rate and shear stress of blood flow, And a method and an apparatus for analyzing blood flow.
본 발명의 GPU 기반의 격자 볼츠만 기법을 활용한 환자 맞춤형 혈류 해석 진단 방법은 의료 영상 장치로 환부를 스캔하여 영상 데이터를 획득하는 영상 획득 단계; 격자 볼츠만 기법(LBM:Lattice Boltzmann method)에 의해 분석 가능하도록 획득한 영상 데이터를 격자 좌표계로 변환시키는 이미지 변환 단계; 상기 변환된 이미지를 격자 볼츠만 기법에 의해 혈류를 해석하는 혈류 해석 단계; 및 상기 해석된 혈류를 디스플레이장치를 통해 보여주는 디스플레이 단계;를 포함한다.A patient-customized blood flow analysis diagnostic method utilizing the GPU-based lattice Boltzmann technique of the present invention includes an image acquisition step of acquiring image data by scanning the affected part with a medical imaging device; An image transforming step of transforming image data obtained by analyzing by a Lattice Boltzmann method (LBM) into a grid coordinate system; A blood flow analyzing step of analyzing the blood flow by the grid Boltzmann technique; And a display step of displaying the analyzed blood flow through a display device.
그리고, 상기 혈류 해석 단계는, 상기 격자를 적어도 한 개 이상의 방향으로 이산화하는 이산화 단계; 상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수를 초기화하는 초기화 단계; 상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수 값을 주변 확률분포함수 값으로 넘기는 병진 단계; 상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수 값을 이용하여 평균 밀도와 속도를 계산하는 단계; 상기 혈류의 임피던스 및 압력를 계산하는 단계; 상기 계산된 임피던스 및 압력을 이용하여 출구 조건을 적용하는 단계; 상기 출구조건을 적용하여 확률분포함수로부터 전단 속도를 계산하는 단계; 주변의 확률분포함수 값들로부터 각각의 격자의 확률분포함수 값을 다시 결정하는 충돌 단계;를 포함한다.The blood flow analysis step may include a discretization step of discretizing the lattice in at least one direction; An initialization step of initializing a probability distribution function in each direction of the grid; A translation step of passing a probability distribution function value in each direction of the grid to a neighbor probability distribution function value; Calculating an average density and a velocity using a probability distribution function value in each direction of the grid; Calculating an impedance and a pressure of the blood flow; Applying an outlet condition using the calculated impedance and pressure; Calculating a shear rate from a probability distribution function by applying the exit condition; And determining a probability distribution function value of each grid from the neighboring probability distribution function values.
또한, 상기 혈류 해석 단계는 상기 전단 속도와 측정된 혈액의 점도를 이용하여 심장주기에 따른 전단 응력을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The blood flow analyzing step may further include calculating a shear stress according to a cardiac cycle using the shear rate and the viscosity of the blood measured.
또한, 상기 이산화 단계에서, 3차원 x, y, z 직교 좌표계를 기준으로, (0,0,0), (1,0,0), (0,1,0), (-1,0,0), (0,-1,0), (0,0,1), (0,0,-1), (1,1,0), (-1,1,0), (-1,-1,0), (1,-1,0), (0,1,1), (0,-1,1), (-1,-1,0), (1,-1,0), (1,0,1), (1,0,-1), (-1,0,-1), (-1,0,1) 인 19개의 방향으로 이산화하는 것을 특징으로 한다.(0,0,0), (1,0,0), (0,1,0), (1,0,0), (1,0,0), -1, 0), (0, -1,0), (0,0,1), (0,0,1), (1,1,0) -1,0), (1, -1,0), (0,1,1), (0,1,1), (-1,1,0) , (1, 0, 1), (1,0, -1), (-1,0, -1), and (-1,0,1).
또한, 상기 혈류 해석 단계에서 확률분포함수의 초기값은 음속, 혈액의 밀도 및 가중치 펙터에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.The initial value of the probability distribution function in the blood flow analysis step is determined by the sound velocity, the density of the blood, and the weight factor.
또한, 상기 혈류 해석 단계의 출구 조건을 적용하는 단계에서, 시간영역에서의 임피던스와 주파수영역에서의 임피던스를, 혈액의 주파수 영역에서의 압력 및 주파수 영역에서의 혈류속도를 이용하여, 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The step of calculating the impedance in the time domain and the impedance in the frequency domain using the pressure in the frequency domain and the velocity in the frequency domain in the step of applying the exit condition of the blood flow analysis step And further comprising:
또한, 상기 주파수 영역에서의 압력 및 주파수 영역에서의 혈류속도는 시간영역에서의 압력 및 혈류속도를 푸리에 변환하여 계산하는 것을 특징으로 한다.The pressure and blood flow velocities in the frequency domain and the frequency domain are calculated by Fourier transforming the pressure and the blood flow velocity in the time domain.
또한, 상기 혈류 해석 단계는 그래픽 프로세싱 유닛(GPU)에 구비된 다수의 연산 코어에 의해 병렬 처리되어 가속되는 것을 특징으로 한다.In addition, the blood flow analysis step is performed in parallel by a plurality of computing cores provided in a graphics processing unit (GPU) and is accelerated.
본 발명의 GPU기반의 격자 볼츠만 기법을 활용한 환자 맞춤형 혈류 해석 진단 장치는 환부를 스캔 하여 영상 데이터를 획득하는 의료 영상 촬영부; 격자 볼츠만 기법(LBM:Lattice Boltzmann method)에 의해 분석 가능하도록 획득한 영상 데이터를 격자 좌표계로 변환시키는 의료영상 변환부; 상기 변환된 이미지를 격자 볼츠만 기법에 의해 혈류를 해석하는 의료영상 연산부; 및 상기 해석된 혈류를 디스플레이장치를 통해 보여주는 의료영상 디스플레이부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The patient-customized blood flow analysis diagnostic apparatus utilizing the GPU-based lattice Boltzmann technique of the present invention includes a medical image photographing unit for acquiring image data by scanning a lesion portion; A medical image converting unit for converting image data obtained by analyzing by a Lattice Boltzmann method (LBM) into a grid coordinate system; A medical image calculation unit for analyzing the blood flow by the grid Boltzmann technique; And a medical image display unit for displaying the analyzed blood flow through a display device.
또한, 상기 의료영상 연산부에서, 상기 격자를 적어도 한 개 이상의 방향으로 이산화하고, 상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수를 초기화하며, 상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수 값을 주변 확률분포함수 값으로 넘기고, 상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수 값을 이용하여 평균밀도와 속도를 계산하되, 상기 혈류의 임피던스 및 압력를 계산하여 출구 조건을 적용하여 확률분포함수로부터 전단 속도를 계산하며, 주변의 확률분포함수 값들로부터 각각의 격자의 확률분포함수 값을 다시 결정하는 연산이 일어나는 것을 특징으로 한다.In the medical image calculation unit, the grid is discretized in at least one direction, a probability distribution function in each direction of the grid is initialized, and a probability distribution function value in each direction of the grid is calculated as a neighbor probability distribution function Calculating the average density and velocity using the probability distribution function values in the respective directions of the grid, computing the impedance and pressure of the blood flow, calculating the shear rate from the probability distribution function by applying the exit condition, The probability distribution function value of each grid is determined again from the probability distribution function values of the grid.
그리고, 상기 의료영상 연산부에서, 상기 전단 속도와 측정된 혈액의 점도를 이용하여, 심장주기에 따른 전단 응력을 연산하는 것을 더 포함하는 특징으로 한다.The medical image calculation unit may further calculate the shear stress according to the cardiac cycle using the shear rate and the viscosity of the blood measured.
또한, 상기 의료영상 연산부에서, 상기 격자를 3차원 x, y, z 직교 좌표계를 기준으로, (0,0,0), (1,0,0), (0,1,0), (-1,0,0), (0,-1,0), (0,0,1), (0,0,-1), (1,1,0), (-1,1,0), (-1,-1,0), (1,-1,0), (0,1,1), (0,-1,1), (-1,-1,0), (1,-1,0), (1,0,1), (1,0,-1), (-1,0,-1), (-1,0,1) 인 19개의 방향으로 이산화하는 것을 특징으로 한다.(0,0,0), (1,0,0), (0,1,0), (- 0,0,0), (0,0,0), 1,0,0), (0,1,0), (0,0,1), (0,0,1), (1,1,0), (-1,1,0) (-1, -1,0), (1, -1,0), (0,1,1), (0,1,1) 1, 1,0), (1,0,1), (1,0,0) -1, (-1,0,1) do.
그리고, 상기 의료영상 연산부에서, 확률분포함수의 초기값은 음속, 혈액의 밀도 및 가중치 펙터에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다. In the medical image calculation unit, the initial value of the probability distribution function is determined by the sound velocity, the density of the blood, and the weight factor.
또한, 상기 의료영상 연산부에서, 시간영역에서의 임피던스와 주파수영역에서의 임피던스를, 혈액의 주파수 영역에서의 압력 및 주파수 영역에서의 혈류속도를 이용하여 연산을 더 하는 것을 특징으로 한다.Further, in the medical image calculation unit, the impedance in the time domain and the impedance in the frequency domain are calculated using the pressure in the frequency domain of blood and the blood flow velocity in the frequency domain.
또한, 상기 주파수 영역에서의 압력 및 주파수 영역에서의 혈류속도는 시간영역에서의 압력 및 혈류속도를 푸리에 변환하여 계산하는 것을 특징으로 한다.The pressure and blood flow velocities in the frequency domain and the frequency domain are calculated by Fourier transforming the pressure and the blood flow velocity in the time domain.
그리고, 상기 의료영상 연산부는 그래픽 프로세싱 유닛(GPU)에 구비된 다수의 연산 코어에 의해 병렬 처리되어 가속화되는 것을 특징으로 한다.The medical image calculation unit is parallel-processed and accelerated by a plurality of calculation cores provided in a graphics processing unit (GPU).
본 발명의 혈류 영상 진단 방법이 프로그램으로 기록된 전자장치에서 판독 가능한 기록매체는 의료 영상 장치로 환부를 스캔 하여 영상 데이터를 획득하는 영상 획득 단계; 격자 볼츠만 기법(LBM:Lattice Boltzmann method)에 의해 분석 가능하도록 획득한 영상 데이터를 격자 좌표계로 변환시키는 이미지 변환 단계; 상기 변환된 이미지를 격자 볼츠만 기법에 의해 혈류를 해석하는 혈류 해석 단계; 및 상기 해석된 혈류를 디스플레이장치를 통해 보여주는 디스플레이 단계;를 포함한다.A blood-flow imaging method according to the present invention includes the steps of: acquiring image data by scanning a lesion portion with a medical imaging device; An image transforming step of transforming image data obtained by analyzing by a Lattice Boltzmann method (LBM) into a grid coordinate system; A blood flow analyzing step of analyzing the blood flow by the grid Boltzmann technique; And a display step of displaying the analyzed blood flow through a display device.
또한, 상기 혈류 해석 단계는 상기 격자를 적어도 한 개 이상의 방향으로 이산화하는 이산화 단계; 상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수를 초기화하는 초기화 단계; 상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수 값을 주변 확률분포함수 값으로 넘기는 병진 단계; 상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수 값을 이용하여 평균 밀도와 속도를 계산하는 단계; 상기 혈류의 임피던스 및 압력를 계산하는 단계;상기 계산된 임피던스 및 압력을 이용하여 출구 조건을 적용하는 단계; 상기 출구조건을 적용하여 확률분포함수로부터 전단 속도를 계산하는 단계; 및 주변의 확률분포함수 값들로부터 각각의 격자의 확률분포함수 값을 다시 결정하는 충돌 단계;를 포함한다.In addition, the blood flow analysis step may include a discretization step of discretizing the lattice in at least one direction; An initialization step of initializing a probability distribution function in each direction of the grid; A translation step of passing a probability distribution function value in each direction of the grid to a neighbor probability distribution function value; Calculating an average density and a velocity using a probability distribution function value in each direction of the grid; Calculating an impedance and a pressure of the blood flow, applying an outlet condition using the calculated impedance and pressure, Calculating a shear rate from a probability distribution function by applying the exit condition; And a colliding step of again determining a probability distribution function value of each grid from the surrounding probability distribution function values.
그리고, 상기 혈류 해석 단계는, 상기 전단 속도(shear rate)와 측정된 혈액의 점도(viscosity)를 이용하여 하기식에 의해, 심장주기에 따른 전단 응력(shear stress)을 계산하는 단계를 더 포함한다.The blood flow analysis step further includes calculating a shear stress according to a cardiac cycle by the following equation using the shear rate and the viscosity of the measured blood .
또한, 상기 이산화 단계는, 3차원 x, y, z 직교 좌표계를 기준으로, (0,0,0), (1,0,0), (0,1,0), (-1,0,0), (0,-1,0), (0,0,1), (0,0,-1), (1,1,0), (-1,1,0), (-1,-1,0), (1,-1,0), (0,1,1), (0,-1,1), (-1,-1,0), (1,-1,0), (1,0,1), (1,0,-1), (-1,0,-1), (-1,0,1) 인 19개의 방향으로 이산화하는 것을 특징으로 한다.(1, 0, 0), (0, 1, 0), (1, 0, 0) -1, 0), (0, -1,0), (0,0,1), (0,0,1), (1,1,0) -1,0), (1, -1,0), (0,1,1), (0,1,1), (-1,1,0) , (1, 0, 1), (1,0, -1), (-1,0, -1), and (-1,0,1).
또한, 상기 혈류 해석 단계에서 확률분포함수의 초기값은 음속, 혈액의 밀도 및 가중치 펙터에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.The initial value of the probability distribution function in the blood flow analysis step is determined by the sound velocity, the density of the blood, and the weight factor.
또한, 상기 혈류 해석 단계의 출구 조건을 적용하는 단계에서, 시간영역에서의 임피던스와 주파수영역에서의 임피던스를, 혈액의 주파수 영역에서의 압력 및 주파수 영역에서의 혈류속도를 이용하여, 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The step of calculating the impedance in the time domain and the impedance in the frequency domain using the pressure in the frequency domain and the velocity in the frequency domain in the step of applying the exit condition of the blood flow analysis step And further comprising:
또한, 상기 주파수 영역에서의 압력 및 주파수 영역에서의 혈류속도는 시간영역에서의 압력 및 혈류속도를 푸리에 변환하여 계산하는 것을 특징으로 한다.The pressure and blood flow velocities in the frequency domain and the frequency domain are calculated by Fourier transforming the pressure and the blood flow velocity in the time domain.
또한, 상기 혈류 해석 단계는 그래픽 프로세싱 유닛(GPU)에 구비된 다수의 연산 코어에 의해 병렬 처리되어 가속되는 것을 특징으로 한다.
In addition, the blood flow analysis step is performed in parallel by a plurality of computing cores provided in a graphics processing unit (GPU) and is accelerated.
본 발명의 GPU기반의 격자 볼츠만 기법을 활용한 환자 맞춤형 혈류 해석 방법은 환자 고유의 혈액 특성값(점도)을 적용하여, 혈류의 전단 속도 및 전단 응력을 구할 수 있으므로, 기존의 혈류 해석 방법보다 정확도가 향상되는 장점이 있다.The patient-customized blood flow analysis method utilizing the GPU-based lattice Boltzmann technique of the present invention can obtain the blood flow shear rate and shear stress by applying the blood characteristic value (viscosity) inherent to the patient, Is improved.
또한, 기존의 CPU방식이 아닌 다수 연산 코어를 구비한 그래픽 처리 장치(GPU: Graphic Processing Unit)방식의 격자 볼츠만 기법을 구현하여, 계산 속도의 획기적인 단축을 통해 진단의 효율성을 높였다.In addition, by implementing the grid Boltzmann technique of GPU (Graphic Processing Unit) method which has a large number of operation cores rather than the existing CPU type, the efficiency of diagnosis is improved by remarkably shortening the calculation speed.
또한, 본 발명의 혈류 해석 방법을 통해, 구한 전단 속도 및 전단 응력을 등고선 그래프등을 통해 도시화하여, 디스플레이 함으로써, 협착증 등의 혈관 질환의 판단 및 발견에 도움이 된다는 장점이 있다.
Further, the blood flow analyzing method of the present invention has an advantage of being useful for judging and finding vascular diseases such as stenosis by displaying the obtained shear rate and shear stress through a contour graph or the like.
도 1은 본 발명에 의한 혈류 영상 진단 방법의 순서도
도 2는 본 발명에 의한 혈류 영상 진단 장치의 구성도
도 3은 의료영상 촬영부에서 획득한 영상 데이터를 격자 좌표계로 변환하는 과정을 나타내는 도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 격자의 19개의 방향을 표시한 도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 혈액의 전단 응력을 등고선화하여 나타낸 도1 is a flowchart of a blood flow imaging method according to the present invention;
2 is a block diagram of a blood flow imaging apparatus according to the present invention;
3 is a diagram illustrating a process of converting image data acquired by a medical image photographing unit into a grid coordinate system
FIG. 4 is a graph showing 19 directions of a lattice according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing contour lines of shear stress of blood according to an embodiment of the present invention
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하지만 본 발명의 범주가 그것에 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명을 생략하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대해서도 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the scope of the present invention is not limited thereto. In the description of the present invention, a detailed description of known configurations will be omitted, and a detailed description of configurations that may unnecessarily obscure the gist of the present invention will be omitted.
본 명세서에서 반복하여 기재되는 전단 응력(shear stress)이란, 물체 내의 어떤 면에 평행인 방향으로 작용하는 힘을 의미하며, 전단 흐름(shear flow)이란, 상기 전단 응력에 의해 생기는 흐름이다. 또한, 상기 흐름에 의한 전단 변형의 증가율을 전단 속도(shear rate)라 정의한다.The shear stress repeatedly described herein refers to a force acting in a direction parallel to a certain plane in an object, and a shear flow is a flow caused by the shear stress. In addition, the rate of increase of shear strain by the flow is defined as a shear rate.
본 발명의 GPU 기반의 격자 볼츠만 기법을 활용한 환자 맞춤형 혈류 진단 장치는 환부를 스캔 하여 영상 데이터를 획득하는 의료 영상 촬영부; 격자 볼츠만 기법(LBM:Lattice Boltzmann method)에 의해 분석 가능하도록 획득한 영상 데이터를 격자 좌표계로 변환시키는 의료영상 변환부; 상기 변환된 이미지를 격자 볼츠만 기법에 의해 혈류를 해석하는 의료영상 연산부; 및 상기 해석된 혈류를 디스플레이장치를 통해 보여주는 의료영상 디스플레이부;를 포함한다. The patient-customized blood flow diagnostic apparatus utilizing the GPU-based lattice Boltzmann technique of the present invention includes a medical image capturing unit for acquiring image data by scanning a lesion portion; A medical image converting unit for converting image data obtained by analyzing by a Lattice Boltzmann method (LBM) into a grid coordinate system; A medical image calculation unit for analyzing the blood flow by the grid Boltzmann technique; And a medical image display unit for displaying the analyzed blood flow through a display device.
본 발명의 GPU 기반의 격자 볼츠만 기법을 활용한 환자 맞춤형 혈류 진단 방법은 의료 영상 장치로 환부를 스캔 하여 영상 데이터를 획득하는 영상 획득 단계; 격자 볼츠만 기법(LBM:Lattice Boltzmann method)에 의해 분석 가능하도록 획득한 영상 데이터를 격자 좌표계로 변환시키는 이미지 변환 단계; 상기 변환된 이미지를 격자 볼츠만 기법에 의해 혈류를 해석하는 혈류 해석 단계; 및 상기 해석된 혈류를 디스플레이장치를 통해 보여주는 디스플레이 단계;를 포함한다.A patient-customized blood flow diagnosing method using a GPU-based lattice Boltzmann technique of the present invention includes an image acquiring step of acquiring image data by scanning a lesion portion with a medical imaging device; An image transforming step of transforming image data obtained by analyzing by a Lattice Boltzmann method (LBM) into a grid coordinate system; A blood flow analyzing step of analyzing the blood flow by the grid Boltzmann technique; And a display step of displaying the analyzed blood flow through a display device.
의료 영상 장치로 환부를 스캔하여 2D 영상 데이터를 얻거나, 상기 2D 영상 데이터를 다수 획득하여 영상 복원 알고리즘을 통하여 3D 영상 데이터를 얻는다. 상기 의료 영상 장치는 컴퓨터 단층 촬영(CT:computed tomography) 또는 자기공명영상장치(MRI:magnetic resonance imaging)등이 이용될 수 있다. 또한 상기 영상 복원 알고리즘은 바람직하게는, 역투영법(FBP : filtered backprojection algorithm)가 이용될 수 있다.The 2D image data is obtained by scanning the affected part with the medical imaging device, or a plurality of the 2D image data is acquired and the 3D image data is obtained through the image reconstruction algorithm. The medical imaging device may be a computed tomography (CT) or a magnetic resonance imaging (MRI) device. Also, the image reconstruction algorithm is preferably a filtered backprojection algorithm (FBP).
상기 획득한 의료 영상을 이용하여, 도 3과 같이, 획득한 영상 데이터를 격자 좌표계로 변환한다. 격자를 작게 잡을수록, 혈류 해석의 정확성은 증가하게 된다. 하지만, 격자의 수는 증가하게 되므로 후에 진행될 혈류 해석 단계에서 계산 처리 속도가 감소하게 된다. Using the acquired medical image, the acquired image data is converted into a grid coordinate system as shown in FIG. The smaller the lattice is, the more accurate the blood flow analysis becomes. However, since the number of gratings increases, the calculation processing speed decreases in the blood flow analysis step to be performed later.
의료 영상 데이터를 격자 좌표계로 변환 후, 격자 볼츠만 기법에 의해 혈류의 전단 속도 및 전단 응력을 계산한다.After the medical image data is converted into the grid coordinate system, the shear rate and the shear stress of the blood flow are calculated by the lattice Boltzmann technique.
상기 격자-볼츠만 기법은 각 격자를 적어도 한 개 이상의 방향으로 이산화하는 이산화 단계; 상기 방향으로의 확률분포함수를 초기화하는 단계; 각 방향의 확률분포함수 값을 주변 확률분포함수 값으로 넘기는 병진 단계; 상기 확률분포함수 값을 이용하여 평균 밀도와 속도를 계산하는 단계; 출구 조건을 적용하는 단계; 확률분포함수로부터 전단 속도를 계산하는 단계; 및 주변 격자 확률분포함수 값들로부터 각 격자의 확률분포함수 값을 다시 결정하는 충돌 단계;를 포함한다.The lattice-Boltzmann technique comprises a discretization step of discretizing each lattice in at least one direction; Initializing a probability distribution function in the direction; A translation step of passing the probability distribution function value in each direction to a neighbor probability distribution function value; Calculating an average density and a velocity using the probability distribution function; Applying exit conditions; Calculating a shear rate from a probability distribution function; And a colliding step of again determining a probability distribution function value of each grid from the surrounding grid probability distribution function values.
각 격자를 적어도 한 개 이상의 방향으로 이산화하는 이산화 단계에서, 바람직하게는 19개의 방향으로 이산화한다. 도 4에서 도시한 바와 같이, 각 방향은 하기 3차원 x, y, z 직교 좌표계를 기준으로, (0,0,0), (1,0,0), (0,1,0), (-1,0,0), (0,-1,0), (0,0,1), (0,0,-1), (1,1,0), (-1,1,0), (-1,-1,0), (1,-1,0), (0,1,1), (0,-1,1), (-1,-1,0), (1,-1,0), (1,0,1), (1,0,-1), (-1,0,-1), (-1,0,1) 으로 설정할 수 있다. In the discretization step of discretizing each lattice in at least one direction, it is preferably discretized in 19 directions. As shown in FIG. 4, each direction is represented by (0,0,0), (1,0,0), (0,1,0), (0,0,0), -1,0,0), (0,1,0), (0,0,1), (0,0,1), (1,1,0), (-1,1,0) , (-1, -1,0), (1, -1,0), (0,1,1), (0,1,1) -1,0), (1,0,1), (1,0,0,1), (-1,0,1), (-1,0,1).
본 명세서의 수식에 표현된 i는 상기 각 방향들을 의미하며, 순서대로 i는 0 내지 18을 의미한다.I in the formula of the present specification means the above directions, and i means 0 to 18 in order.
상기 각 방향으로의 확률분포함수 fi를 초기화하는 단계에서는, 하기 식들에 의해, 음속 Cs, 혈액의 밀도ρ, 가중치 펙터ωi, 혈액 속도 u 및 미소 혈액 파티클의 속도벡터 e i를 이용하여 초기화 할 수 있다.In the step of initializing the probability distribution function f i in each of the above directions, the sonic velocity Cs, the blood density ρ, the weight factor ω i, the blood velocity u , It can be initialized using the velocity vector e i of the particle.
상기 가중치 펙터ωi는 i=0인 경우는, 1/3이고, i=1 내지 6인 경우는, 1/18이고, i=7내지 18인 경우는 1/36인 것이 바람직하다.The weight factor ω i is 1/3 when i = 0, 1/18 when i = 1 to 6, and 1/36 when i = 7 to 18.
각 격자의 초기화된 각 방향으로의 확률분포함수를 주변 격자의 확률분포함수 값으로 넘기는 병진단계가 하기 식에 따라 진행된다. A translation step for passing the probability distribution function in each initialized direction of each grid to the probability distribution function value of the surrounding grid is performed according to the following equation.
상기 확률분포함수 값을 이용하여 평균 밀도 ρ와 혈액 속도 u를 계산하는 단계에서 평균 밀도 ρ와 속도 u는 하기 식에 따라 계산된다. 속도 u는 바로 구할 수 있는 것이 아니라, 일차적으로 유동 모멘텀 ρu를 계산 후, 먼저 계산한 밀도 ρ으로 나누어서 구할 수 있다.Using the probability distribution function value average density ρ and the density of the average blood velocity in the step of calculating the speed and ρ u u is calculated according to the following formula. The velocity u can not be obtained directly but can be obtained by first calculating the flow momentum ρ u and dividing it by the density ρ that was calculated first.
출구 조건을 적용하는 단계에서는, 시간 영역에서의 혈류의 임피던스 Z(t)를 계산하는 단계가 추가로 먼저 선행되는 것이 바람직하다. In the step of applying the exit condition, it is preferable that the step of calculating the impedance Z (t) of the blood flow in the time domain is additionally preceded.
주파수 영역에서의 혈류의 임피던스 Z(ω)를 구하기 위해서는, 시간 영역에서 압력 p(t)및 혈류 속도 q(t)를 측정하여 하기 식에 의해 주파수 영역에서의 압력 P(ω)및 혈류 속도 Q(ω)를 계산하는 것이 선행되어야 한다.In order to obtain the impedance Z (?) Of the blood flow in the frequency domain, the pressure P (?) And the blood flow velocity Q (t) in the frequency domain are measured by measuring the pressure p (ω) must be calculated.
상기 식에 의하여 구하여진 주파수 영역에서의 압력 P(ω) 및 혈류속도 Q(ω)는 하기 선형 방정식을 따른다. The pressure P (?) And the blood flow velocity Q (?) In the frequency domain obtained by the above formula are given by the following linear equations.
따라서, 상기 식에 의하여 주파수 영역에서 임피던스 Z(ω)를 계산한 후 하기 식에 의해 주파수 영역에서의 혈류의 임피던스 Z(ω)를 역푸리에 변환하여 시간 영역에서의 혈류의 임피던스 Z(t)를 계산할 수 있다.Therefore, after calculating the impedance Z (?) In the frequency domain by the above equation, the impedance Z (?) Of the blood flow in the frequency domain is inversely Fourier transformed by the following equation to obtain the impedance Z (t) of the blood flow in the time domain Can be calculated.
상기 계산된 시간 영역에서의 혈류의 임피던스 Z(t)와 시간 영역에서의 혈류의 속도 q(t)를 하기 식에 따라 컨볼루션하여, 시간영역에서의 정확한 압력 p(t)을 계산하는 것이 가능하다.It is possible to calculate the accurate pressure p (t) in the time domain by convoluting the impedance Z (t) of the blood flow in the calculated time domain and the velocity q (t) of the blood flow in the time domain according to the following equation Do.
앞으로, 상기 식을 경계조건이라 정의한다.In the future, the above equation is defined as a boundary condition.
만약, 반복 횟수가 주기보다 작을 경우에는, 상기 경계조건은 '0'값을 가지는, 영 출구 조건을 적용하고, 만약 반복 횟수가 주기보다 클 경우에는, 상기 시간영역에서의 정확한 압력값 p(t)을 그대로 출구조건으로 적용한다.If the number of repetition times is smaller than the period, an ejection port condition having a value of '0' is applied. If the repetition number is larger than the period, the correct pressure value p (t ) As the exit condition as it is.
만약, 출구조건을 만족하지 않아서, 격자 볼츠만 기법을 다시 반복한다면, 확률분포함수 값으로부터 전단속도를 계산하는 단계로 넘어간다. 확률분포함수 값으로부터 전단속도
한편, 환자 혈액의 고유한 점도는 기존의 점도 측정기를 이용하여 측정하며, 측정된 점도를 의료영상 연산부로 송신하여, 의료영상 연산부에서 바로 사용 가능하도록 한다. 측정된 점도
도 5에서 도시된 바와 같이, 시간에 따른 상기 전단 속도 및 전단 응력의 그래프를 출력할 수 있으며, 연산된 전단 속도 및 전단 응력을 등고선화하여 디스플레이할 수 있다. 이 때, 전단 속도 또는 전단 응력 값에 따라, 색상을 다르게 하여 전단 속도 및 전단 응력이 높은 부위를 한눈에 쉽게 알 수 있도록 하는 것이 바람직하다. As shown in FIG. 5, a graph of the shear rate and the shear stress over time can be outputted, and the calculated shear rate and shear stress can be displayed in contour lines. At this time, it is preferable to make the color different depending on the shear rate or the shear stress value so that the region having a high shear rate and a high shear stress can be easily recognized at a glance.
전단 속도 및 전단 응력이 반영된 혈관 영상을 도시화함으로써, 협착증 등의 혈관 질환의 판단 및 발견에 도움이 되도록 한다.By visualizing the blood vessel image reflecting the shear rate and shear stress, it will be helpful to the judgment and the discovery of the vascular disease such as stenosis.
상기 격자-볼츠만 기법은 중앙처리장치(CPU:Central Processing Units)기반으로 구현될 수 있지만, 혈류 해석 속도를 증가시키기 위해, 그래픽 처리 장치(GPU)기반으로 구현할 수 있다. 상기 그래픽 처리 장치 기반(GPU)으로 혈류 해석 속도의 획기적인 단축을 통해 진단의 효율성이 증가한다.The Grid-Boltzmann technique may be implemented on a central processing unit (CPU) basis, but may be implemented on a graphics processing unit (GPU) basis to increase the velocity of blood flow analysis. The diagnostic efficiency is increased by dramatically shortening the blood flow analysis speed by the GPU.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
In the foregoing detailed description of the present invention, only specific embodiments thereof have been described. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific forms thereof, which are to be considered as being limited to the specific embodiments, but on the contrary, the intention is to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. .
10: 의료영상 촬영부 20: 의료영상 변환부
30: 의료영상 연산부 40: 의료영상 디스플레이부10: medical image capturing unit 20: medical image converting unit
30: medical image operating unit 40: medical image display unit
Claims (24)
격자 볼츠만 기법(LBM:Lattice Boltzmann method)에 의해 분석 가능하도록 획득한 영상 데이터를 격자 좌표계로 변환시키는 이미지 변환 단계;
상기 변환된 이미지를 격자 볼츠만 기법에 의해 혈류를 해석하는 혈류 해석 단계; 및
상기 해석된 혈류를 디스플레이장치를 통해 보여주는 디스플레이 단계;를 포함하며,
상기 혈류 해석 단계는,
상기 격자를 적어도 한 개 이상의 방향으로 이산화하는 이산화 단계;
상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수를 초기화하는 초기화 단계;
상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수 값을 주변 확률분포함수 값으로 넘기는 병진 단계;
상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수 값을 이용하여 평균 밀도와 속도를 계산하는 단계;
상기 혈류의 임피던스 및 압력를 계산하는 단계;
상기 계산된 임피던스 및 압력을 이용하여 출구 조건을 적용하는 단계;
상기 출구조건을 적용하여 확률분포함수로부터 전단 속도를 계산하는 단계; 및
주변의 확률분포함수 값들로부터 각각의 격자의 확률분포함수 값을 다시 결정하는 충돌 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈류 영상 진단 방법.
An image acquiring step of acquiring image data by scanning the affected part with a medical imaging device;
An image transforming step of transforming image data obtained by analyzing by a Lattice Boltzmann method (LBM) into a grid coordinate system;
A blood flow analyzing step of analyzing the blood flow by the grid Boltzmann technique; And
And a display step of displaying the interpreted blood flow through a display device,
In the blood flow analysis step,
A discretization step of discretizing said lattice in at least one or more directions;
An initialization step of initializing a probability distribution function in each direction of the grid;
A translation step of passing a probability distribution function value in each direction of the grid to a neighbor probability distribution function value;
Calculating an average density and a velocity using a probability distribution function value in each direction of the grid;
Calculating an impedance and a pressure of the blood flow;
Applying an outlet condition using the calculated impedance and pressure;
Calculating a shear rate from a probability distribution function by applying the exit condition; And
A collision step of again determining a probability distribution function value of each grid from neighboring probability distribution function values;
The method comprising the steps of:
상기 혈류 해석 단계는,
상기 전단 속도(shear rate)와 측정된 혈액의 점도(viscosity)를 이용하여 하기식에 의해, 심장주기에 따른 전단 응력(shear stress)을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혈류 영상 진단 방법.
The method according to claim 1,
In the blood flow analysis step,
Further comprising the step of calculating a shear stress according to a cardiac cycle by using the shear rate and the viscosity of the blood measured by the following equation: .
상기 이산화 단계에서, 3차원 x, y, z 직교 좌표계를 기준으로, (0,0,0), (1,0,0), (0,1,0), (-1,0,0), (0,-1,0), (0,0,1), (0,0,-1), (1,1,0), (-1,1,0), (-1,-1,0), (1,-1,0), (0,1,1), (0,-1,1), (-1,-1,0), (1,-1,0), (1,0,1), (1,0,-1), (-1,0,-1), (-1,0,1) 인 19개의 방향으로 이산화하는 것을 특징으로 하는 혈류 영상 진단 방법.
The method according to claim 1,
(0,0,0), (1,0,0), (0,1,0), (-1,0,0), and (0,0,0), based on the three-dimensional x, y, z orthogonal coordinate system, , (0,1,0), (0,0,1), (0,0,1), (1,1,0), (-1,1,0) , 0), (1, -1,0), (0,1,1), (0,1,1), (-1,1,0) 1, 1, 1), (1,0, -1), (-1,0, -1), (-1,0,1).
상기 혈류 해석 단계에서 확률분포함수의 초기값은 음속 Cs, 혈액의 밀도ρ, 가중치 펙터ωi, 혈액 속도 u 및 미소 혈액 파티클의 속도벡터 e i를 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 혈류 영상 진단 방법.
The method according to claim 1,
In the blood flow analyzing step, the initial value of the probability distribution function is calculated from the sound velocity Cs, the density of blood ρ, the weight factor ω i, the blood velocity u , Is determined using the velocity vector e i of the particle.
상기 혈류 해석 단계의 출구 조건을 적용하는 단계에서, 시간영역에서의 임피던스 Z(t)와 주파수영역에서의 임피던스 Z(ω)를, 혈액의 주파수 영역에서의 압력 p(ω)및 주파수 영역에서의 혈류속도 Q(ω)를 이용하여, 하기 식에 의해 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혈류 영상 진단 방법
The method according to claim 1,
The impedance Z (t) in the time domain and the impedance Z ([omega] in the frequency domain) are calculated by multiplying the impedance p ([omega]) in the frequency region of blood and the impedance p Further comprising a step of calculating a blood flow velocity Q (?) By using the following equation
상기 주파수 영역에서의 압력 p(ω)및 주파수 영역에서의 혈류속도 Q(ω)는 시간 영역에서의 압력 p(t)및 혈류속도 q(t)를 하기 식에 의해, 푸리에 변환하여 계산하는 것을 특징으로 하는 혈류 영상 진단 방법.
The method according to claim 6,
The pressure p (?) In the frequency domain and the blood flow velocity Q (?) In the frequency domain are calculated by Fourier transforming the pressure p (t) and the blood flow velocity q (t) A method for diagnosing blood flow imaging.
상기 혈류 해석 단계는 그래픽 프로세싱 유닛(GPU)에 구비된 다수의 연산 코어에 의해 병렬 처리되어 가속화되는 것을 특징으로 하는 혈류 영상 진단 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the blood flow analysis step is performed in parallel and accelerated by a plurality of calculation cores provided in a graphics processing unit (GPU).
격자 볼츠만 기법(LBM:Lattice Boltzmann method)에 의해 분석 가능하도록 획득한 영상 데이터를 격자 좌표계로 변환시키는 의료영상 변환 부;
상기 변환된 이미지를 격자 볼츠만 기법에 의해 혈류를 해석하는 의료영상 연산부; 및
상기 해석된 혈류를 디스플레이장치를 통해 보여주는 의료영상 디스플레이부;를 포함하며,
상기 의료영상 연산부에서,
상기 격자를 적어도 한 개 이상의 방향으로 이산화하는 격자 생성하고, 상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수를 초기화하며, 상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수 값을 주변 확률분포함수 값으로 넘기고, 상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수 값을 이용하여 평균 밀도와 속도를 계산하되, 상기 혈류의 임피던스 및 압력를 계산하여 출구 조건을 적용하여 확률분포함수로부터 전단 속도를 계산하며,
주변의 확률분포함수 값들로부터 각각의 격자의 확률분포함수 값을 다시 결정하는 연산이 일어나는 것을 특징으로 하는 혈류 영상 진단 장치.
A medical image photographing unit for scanning the affected area to acquire image data;
A medical image converting unit for converting image data obtained by analyzing by a Lattice Boltzmann method (LBM) into a grid coordinate system;
A medical image calculation unit for analyzing the blood flow by the grid Boltzmann technique; And
And a medical image display unit for displaying the interpreted blood flow through a display device,
In the medical image calculation unit,
Generating a grating for discretizing the grating in at least one direction, initializing a probability distribution function in each direction of the grating, passing a probability distribution function value in each direction of the grating to a value of a neighbor probability distribution function, Calculating an average density and a velocity using a probability distribution function value in each direction of the lattice, calculating an impedance and a pressure of the blood flow, calculating a shear rate from a probability distribution function by applying an exit condition,
Wherein an operation of determining again the probability distribution function value of each grid from the surrounding probability distribution function values takes place.
상기 의료영상 연산부에서,
상기 전단 속도와 측정된 혈액의 점도를 이용하여 하기식에 의해, 심장주기에 따른 전단 응력을 연산하는 것을 더 포함하는 특징으로 하는 혈류 영상 진단 장치.
10. The method of claim 9,
In the medical image calculation unit,
Further comprising calculating a shear stress according to a cardiac cycle by the following equation using the shear rate and the viscosity of the measured blood.
상기 의료영상 연산부에서, 상기 격자를 3차원 x, y, z 직교 좌표계를 기준으로, (0,0,0), (1,0,0), (0,1,0), (-1,0,0), (0,-1,0), (0,0,1), (0,0,-1), (1,1,0), (-1,1,0), (-1,-1,0), (1,-1,0), (0,1,1), (0,-1,1), (-1,-1,0), (1,-1,0), (1,0,1), (1,0,-1), (-1,0,-1), (-1,0,1) 인 19개의 방향으로 이산화하는 것을 특징으로 하는 혈류 영상 진단 장치.
10. The method of claim 9,
(0,0,0), (1,0,0), (0,1,0), (-1,0,0), (0,0,0), 0,0), (0, -1,0), (0,0,1), (0,0,1), (1,1,0) -1, -1,0), (1, -1, 0), (1, -1, 0) 0, 1), (1,0,1), (1,0,0) -1, (-1,0,1) Imaging device.
상기 의료영상 연산부에서, 확률분포함수의 초기값은 음속 Cs, 혈액의 밀도ρ, 가중치 펙터ωi, 혈액 속도 u 및 미소 혈액 파티클의 속도벡터 e i를 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 혈류 영상 진단 장치.
10. The method of claim 9,
In the medical image calculation unit, the initial value of the probability distribution function is determined by the following equation: initial value of sound velocity Cs, density of blood p, weight factor? I, blood velocity u , Is determined using the velocity vector e i of the particle.
상기 의료영상 연산부에서, 시간영역에서의 임피던스 Z(t)와 주파수영역에서
의 임피던스 Z(ω)를, 혈액의 주파수 영역에서의 압력 p(ω)및 주파수 영역에서의
혈류속도 Q(ω)를 이용하여 하기 관계에 의한 연산을 더 하는 것을 특징으로 하는
혈류 영상 진단 장치.
10. The method of claim 9,
In the medical image calculation unit, the impedance Z (t) in the time domain and the impedance Z
(?) In the frequency region of the blood and the impedance p (?) In the frequency region
And the calculation according to the following relationship is added using the blood flow velocity Q (?)
Blood flow imaging device.
상기 주파수 영역에서의 압력 P(ω)및 주파수 영역에서의 혈류속도 Q(ω)는 시간 영역에서의 압력 p(t)및 혈류속도 q(t)를 하기 식들에 의해, 푸리에 변환하여 계산하는 것을 특징으로 하는 혈류 영상 진단 장치.
15. The method of claim 14,
The pressure P (?) In the frequency domain and the blood flow velocity Q (?) In the frequency domain are calculated by Fourier transforming the pressure p (t) and the blood flow velocity q (t) in the time domain by the following equations Characterized by a blood flow imaging device.
상기 의료영상 연산부는 그래픽 프로세싱 유닛(GPU)에 구비된 다수의 연산
코어에 의해 병렬 처리되어 가속화되는 것을 특징으로 하는 혈류 영상 진단 장치.
10. The method of claim 9,
The medical image calculation unit may include a plurality of calculations provided in a graphics processing unit (GPU)
Wherein the core is parallel-processed and accelerated.
격자 볼츠만 기법(LBM:Lattice Boltzmann method)에 의해 분석 가능하도록 획득한 영상 데이터를 격자 좌표계로 변환시키는 이미지 변환 단계;
상기 변환된 이미지를 격자 볼츠만 기법에 의해 혈류를 해석하는 혈류 해석 단계; 및
상기 해석된 혈류를 디스플레이장치를 통해 보여주는 디스플레이 단계;를 포함하며,
상기 혈류 해석 단계는,
상기 격자를 적어도 한 개 이상의 방향으로 이산화하는 이산화 단계;
상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수를 초기화하는 초기화 단계;
상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수 값을 주변 확률분포함수 값으로 넘기는 병진 단계;
상기 격자의 각 방향으로의 확률분포함수 값을 이용하여 평균 밀도와 속도를 계산하는 단계;
상기 혈류의 임피던스 및 압력를 계산하는 단계;
상기 계산된 임피던스 및 압력을 이용하여 출구 조건을 적용하는 단계;
상기 출구조건을 적용하여 확률분포함수로부터 전단 속도를 계산하는 단계; 및
주변의 확률분포함수 값들로부터 각각의 격자의 확률분포함수 값을 다시 결정하는 충돌 단계;를 포함하는 혈류 영상 진단 방법이 프로그램으로 기록된 전자장치에서 판독 가능한 기록매체.
An image acquiring step of acquiring image data by scanning the affected part with a medical imaging device;
An image transforming step of transforming image data obtained by analyzing by a Lattice Boltzmann method (LBM) into a grid coordinate system;
A blood flow analyzing step of analyzing the blood flow by the grid Boltzmann technique; And
And a display step of displaying the interpreted blood flow through a display device,
In the blood flow analysis step,
A discretization step of discretizing said lattice in at least one or more directions;
An initialization step of initializing a probability distribution function in each direction of the grid;
A translation step of passing a probability distribution function value in each direction of the grid to a neighbor probability distribution function value;
Calculating an average density and a velocity using a probability distribution function value in each direction of the grid;
Calculating an impedance and a pressure of the blood flow;
Applying an outlet condition using the calculated impedance and pressure;
Calculating a shear rate from a probability distribution function by applying the exit condition; And
And determining a probability distribution function value of each grid from the surrounding probability distribution function values.
상기 혈류 해석 단계는,
상기 전단 속도(shear rate)와 측정된 혈액의 점도(viscosity)를 이용하여 하기식에 의해, 심장주기에 따른 전단 응력(shear stress)을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자장치에서 판독 가능한 기록매체.
18. The method of claim 17,
In the blood flow analysis step,
Further comprising the step of calculating a shear stress according to a cardiac cycle by using the shear rate and the viscosity of the blood measured by the following equation: Possible recording medium.
상기 이산화 단계에서, 3차원 x, y, z 직교 좌표계를 기준으로, (0,0,0), (1,0,0), (0,1,0), (-1,0,0), (0,-1,0), (0,0,1), (0,0,-1), (1,1,0), (-1,1,0), (-1,-1,0), (1,-1,0), (0,1,1), (0,-1,1), (-1,-1,0), (1,-1,0), (1,0,1), (1,0,-1), (-1,0,-1), (-1,0,1) 인 19개의 방향으로 이산화하는 것을 특징으로 하는 전자장치에서 판독 가능한 기록매체.
18. The method of claim 17,
(0,0,0), (1,0,0), (0,1,0), (-1,0,0), and (0,0,0), based on the three-dimensional x, y, z orthogonal coordinate system, , (0,1,0), (0,0,1), (0,0,1), (1,1,0), (-1,1,0) , 0), (1, -1,0), (0,1,1), (0,1,1), (-1,1,0) (1,0, -1), (1,0, -1), (-1,0, -1), (-1,0,1). Recording medium.
상기 혈류 해석 단계에서 확률분포함수의 초기값은 음속 Cs, 혈액의 밀도ρ, 가중치 펙터ωi, 혈액 속도 u 및 미소 혈액 파티클의 속도벡터 e i를 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 전자장치에서 판독 가능한 기록매체.
18. The method of claim 17,
In the blood flow analyzing step, the initial value of the probability distribution function is calculated from the sound velocity Cs, the density of blood ρ, the weight factor ω i, the blood velocity u , Is determined using the velocity vector e i of the particle.
상기 혈류 해석 단계의 출구 조건을 적용하는 단계에서, 시간영역에서의 임피던스 Z(t)와 주파수영역에서의 임피던스 Z(ω)를, 혈액의 주파수 영역에서의 압력 p(ω)및 주파수 영역에서의 혈류속도 Q(ω)를 이용하여, 하기 식에 의해 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자장치에서 판독 가능한 기록매체
18. The method of claim 17,
The impedance Z (t) in the time domain and the impedance Z ([omega] in the frequency domain) are calculated by multiplying the impedance p ([omega]) in the frequency region of blood and the impedance p Further comprising a step of calculating by using the following equation using the blood flow velocity Q (?):
상기 주파수 영역에서의 압력 p(ω)및 주파수 영역에서의 혈류속도 Q(ω)는 시간 영역에서의 압력 p(t)및 혈류속도 q(t)를 하기 식에 의해, 푸리에 변환하여 계산하는 것을 특징으로 하는 전자장치에서 판독 가능한 기록매체.
23. The method of claim 22,
The pressure p (?) In the frequency domain and the blood flow velocity Q (?) In the frequency domain are calculated by Fourier transforming the pressure p (t) and the blood flow velocity q (t) Wherein the recording medium is readable by an electronic device.
상기 혈류 해석 단계는 그래픽 프로세싱 유닛(GPU)에 구비된 다수의 연산 코어에 의해 병렬 처리되어 가속화되는 것을 특징으로 하는 전자장치에서 판독 가능한 기록매체.18. The method of claim 17,
Wherein the blood flow analysis step is performed in parallel and accelerated by a plurality of computing cores provided in a graphics processing unit (GPU).
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