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문제 정의
- 추후 연구에서는 미세 골소주 영역까지도 분석이 가능하도록 영상의 회색조 수준을 표준화하고 개별적인 임계값 조건을 적용하여 골다공증에 대한 예측 정확도를 평가하고자 한다. 또한 선정된 평가변수들에 대한 임상적 유효성을 확보하기 위해, 광범위한 연령층 및 성별에 따른 골소주 패턴 분석을 수행하고자 한다. 마지막으로 프랙탈 차원에 대한 임상적 활용 가능성을 평가하기 위해 다수의 실험군을 대상으로 추가 연구를 수행할 예정이다.
- 본 연구에서는 각기 다른 측정 부위에서 도출된 골밀도와 골소주 패턴의 상관관계를 복합적으로 분석하여 측정부위에 따른 평가변수의 상관관계와 골다공증 예측 가능성을 평가하고자 하였다. 골밀도의 측정부위는 대퇴경부, 전자부 및 워드 삼각부로 구분하였고, 평가변수는 구조적 변수, 골격화 변수 등으로 구분되는 총 8가지를 선정하였다.
- 본 연구에서는 각기 다른 측정 부위에서 도출된 골밀도와 골소주 패턴의 상관관계를 복합적으로 분석하여 측정부위에 따른 평가변수의 상관관계와 골다공증 예측 가능성을 평가하고자 한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
제안 방법
- 본 연구에서는 각기 다른 측정 부위에서 도출된 골밀도와 골소주 패턴의 상관관계를 복합적으로 분석하여 측정부위에 따른 평가변수의 상관관계와 골다공증 예측 가능성을 평가하고자 하였다. 골밀도의 측정부위는 대퇴경부, 전자부 및 워드 삼각부로 구분하였고, 평가변수는 구조적 변수, 골격화 변수 등으로 구분되는 총 8가지를 선정하였다. 실험결과를 통해 평균 회색조를 제외한 모든 평가변수들이 측정부위에 관계없이 골밀도의 변화를 유의하게 반영하는 것을 확인하였다.
- 이를 방지하기 위해, 기존 연구에서는 스텝웨지를 사용하여 방사선 영상의 회색조를 표준화시키고 선형 보정(Linear Calibration)을 거쳐 결과를 도출하였다 [25]. 그러나 본 연구에서는 관심영역이 나타내는 밝기값을 최대한 반영하기 위해 원영상에서 직접 평균 회색조를 도출하였다. 이에 따라, 평균 회색조에 대한 유의성이 낮게 나타난 것으로 판단된다.
- 다음으로, 영상 내 골소주 패턴의 변화를 효율적으로 반영하기 위해 관심영역 영상과 흐림 영상의 차를 구하였고, 회색조 수준을 표준화하기 위해 도출된 차영상에 128의 회색조[16] 를 추가하였다(그림 2
- 특히, 박스 계산법은 가장 유용한 프랙탈 추출 방법으로 광범위한 연구 분야에서 활용되고 있다[18]. 따라서 본 연구에서는 원영상에서 추출된 이원화 영상에 박스 계산법을 적용하여 골소주 패턴에 대한 프랙탈 차원을 계산하였다.
- Matsubara[5] 등은 골소주 영상에 형태학적 필터링 방법을 적용하여 이원화 영상을 획득하고, 이원화 영상의 구조적특성을 정량화하기 위해 Star Volume 분석을 수행하였다. 또한 파괴시험(Breaking Test)을 통해 골강도를 측정하고, 골소주에서 도출된 평가변수와의 상관관계를 분석하였다. 반면, Pothuaud[17] 등은 골소주가 전형적인 프랙탈 구조 (Fractal Structure)를 나타내는 것을 이용하여 프랙탈 차원 기법을 통해 골다공증을 예측하고자 하였다.
- , Waltham, MA, USA)를 이용하여 측정하였다. 또한, 각 측정부위에 따른 평가변수의 통계적 유의성을 검증하기 위해 골밀도를 (그림 1)과 같이 대퇴경부, 전자부 및 워드 삼각부로 구분하여 측정하였다.
- 먼저, 이원화 영상의 분석을 통해 평균 회색조(Mean Gray Level), 골면적 (Area), 골둘레(Perimeter), 골두께(Thickness) 및 말단 거리 (Terminal Distance)의 구조적 변수와 프랙탈 차원을 도출하였다. 또한, 골격화 영상에 대한 분석을 통해 골개수 (Number) 및 골길이(Length)의 골격화 변수를 도출하였다.
- 또한, 침식(Erosion) 및 팽창(Dilation) 연산을 적용하여 영상에서 독립적으로 나타나는 산탄 잡음(Shot Noise)를 제거하고, 관심영역에 대한 주요 골소주 패턴을 추출하였다(그림 2
- 마지막으로, 골소주 패턴의 골격화 영상을 추출하기 위해 픽셀의 중심선이 나타날 때까지 침식연산을 연속적으로 수행하는 골격화 알고리즘을 적용하였다(그림 2
- 평가변수는 다섯 가지의 구조적 변수와 두 가지의 골격화 변수 및 프랙탈 차원의 총 8가지로 구분된다. 먼저, 이원화 영상의 분석을 통해 평균 회색조(Mean Gray Level), 골면적 (Area), 골둘레(Perimeter), 골두께(Thickness) 및 말단 거리 (Terminal Distance)의 구조적 변수와 프랙탈 차원을 도출하였다. 또한, 골격화 영상에 대한 분석을 통해 골개수 (Number) 및 골길이(Length)의 골격화 변수를 도출하였다.
- 본 연구에서는 골소주 패턴에 대한 구조적 및 골격화 분석에 추가적으로 프랙탈 차원 분석을 수행하였다. 프랙탈 차원은 구조의 복잡성을 상대적으로 분석하기 위한 수단으로, 일반적으로 복잡도가 증가할수록 프랙탈 차원도 증가하는 특징을 나타낸다[21].
대상 데이터
- 골밀도는 이중 에너지 X선 흡수 계측 장치인 Hologic Delphi W(Hologic, Inc., Waltham, MA, USA)를 이용하여 측정하였다. 또한, 각 측정부위에 따른 평가변수의 통계적 유의성을 검증하기 위해 골밀도를 (그림 1)과 같이 대퇴경부, 전자부 및 워드 삼각부로 구분하여 측정하였다.
- 총 40명의 실험대상은 세계보건기구(World Health Organization, WHO)의 T-score에 따른 골다공증 분류 기준[20]에 따라 각각 20명의 정상군 및 골다공증군으로 분류되었다. 또한, 방사선 영상에서 화질 저하가 현저하게 나타난 4명의 영상을 제외하고 정상군 18명 및 골다공증군 18명의 총 36명을 최종 실험대상으로 선정하였다. 실험대상의 생리변수는 <표 1>에 나타난 바와 같다.
- 또한 골다공증 환자군에서는 각 측정부위에 따른 골밀도 간의 상관관계가 급격하게 감소하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서 선정된 실험대상은 40대 이상의 폐경기 이후 여성으로 연령이 높고, 골밀도도 정상인과 비교하여 현저하게 감소한 상태이다. 따라서 실험대상의 골밀도 감소율은 각 측정부위에 따라 상이하게 나타난 것으로 판단되고, 각 측정부위에 대한 평가변수 간의 통계적 유의성이 낮게 나타난 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 요추부의 골밀도 검사를 받은 폐경 이후의 여성 40명을 실험대상으로 선정하였다. 실험대상은 병록 기록지를 통해 척추 및 고관절 골절 등의 과거 병력이 없음을 확인하였다.
데이터처리
- 통계분석은 SPSS(Ver. 12.0 for Windows, Chicago, IL, USA)를 기반으로 대응표본 t 검정(Paired t-test) 및 일원배치 분산분석(One-way ANOVA)을 통해 수행하였다. 모든 통계처리의 유의수준은 95%로 지정하였다.
이론/모형
- 대퇴부 영상에서 골밀도 측정 부위에 대한 골소주 패턴을 추출하기 위해 White 및 Rudolph[16]에 의해 고안된 패턴 추출 기법을 적용하였다. 먼저, 각 측정부위에 50 x 50 픽셀 크기의 관심영역을 설정하고(그림 2(a)), 가우시안 필터 (Sigma=10)를 적용하여 (그림 2(b))와 같이 저주파수 특징을 나타내는 잡음이 제거된 흐림 영상을 도출하였다.
- 실험대상은 병록 기록지를 통해 척추 및 고관절 골절 등의 과거 병력이 없음을 확인하였다. 총 40명의 실험대상은 세계보건기구(World Health Organization, WHO)의 T-score에 따른 골다공증 분류 기준[20]에 따라 각각 20명의 정상군 및 골다공증군으로 분류되었다. 또한, 방사선 영상에서 화질 저하가 현저하게 나타난 4명의 영상을 제외하고 정상군 18명 및 골다공증군 18명의 총 36명을 최종 실험대상으로 선정하였다.
성능/효과
- 각 실험군 사이의 골밀도 비교를 통해 골밀도가 골다공증군 보다 정상군에서 더욱 크게 나타나는 것을 확인하였다. 골다공증은 골강도의 약화로 인해 골량의 감소를 유발하여 정상인에 비해 골밀도를 크게 감소시킨다.
- 정상군과 골다공증 간의 평가변수를 비교한 결과, 골개수를 제외한 모든 평가변수가 골다공증군에서 더욱 크게 나타나는 것을 확인하였다. 구조적 변수의 평균 회색조는 모든 골밀도 측정부위에 대하여 정상군보다 골다공증군에서 더욱 크게 나타났으나, 통계적 유의성은 매우 낮게 나타났다. 평균 회색조는 관심영역이 나타내는 평균 밝기 수준으로 실험군의 신체조건과 방사선 영상의 대조도 등에 의해 오차가 발생할 수 있다[24].
- 또한 대퇴경부와 전자부에서 모두 유의한 차이를 나타낸 평가변수는 골면적이 유일하였다. 그러나 본 연구에서는 대부분의 평가변수가 측정부위에 관계없이 골다공증 예측에 대한 높은 유의성을 나타내었다. 반면, White[16] 등은 상악골과 하악골의 골소주 패턴을 분석한 기존 연구를 통해, 골면적, 골둘레 및 골길이 등의 구조적 변수가 측정부위에 따라 통계적 유의성이 상이하게 나타난다고 보고하였다.
- 대퇴경부에서 도출된 구조적 변수들은 평균 회색조를 제외하고 모두 높은 유의성(p<0.003)을 보이며 정상군 보다 골다공증군에서 더욱 크게 나타났다.
- 또한 각 측정부위에 따라 도출된 골격화 변수들 간의 유의성도 낮게 도출되었고(p>0.005), 프랙탈 차원도 매우 낮은 통계적 유의성 (p=0.354)을 나타내었다.
- 이를 통해, 구조적 변수인 골면적, 골둘레, 골두께, 말단 거리와 골격화 변수인 골길이는 골밀도가 감소할수록 증가하는 것을 확인하였다. 또한 골격화 변수인 골개수는 골밀도가 감소함에 따라 동일하게 감소하는 것을 확인하였다. 이는 선행연구[19]에서 제시된 연구결과와 비교하여 더욱 높은 통계적 유의성을 나타낸다.
- 즉, 정상군과 골다공증군에 대한 골밀도의 유의한 차이는 실험군의 선별에 대한 높은 신빙성을 나타낸다. 또한 골밀도는 정상군과 골다공증군에 대하여 대퇴경부에서 가장 크게 나타났고, 워드 삼각부에서 가장 작게 나타났다. 기존 연구에서는 대퇴경부와 전자부의 골밀도가 가장 정확하게 골다공증을 예측할 수 있고, 워드 삼각부는 대사변화를 잘 반영하여 작은 골밀도를 나타낸다고 하였다[1].
- 선행연구에서는 대퇴경부의 골면적과 전자부의 골면적, 평균 회색조 및 골둘레 만이 골밀도가 감소함에 따라 유의하게 증가한다고 하였다. 또한 대퇴경부와 전자부에서 모두 유의한 차이를 나타낸 평가변수는 골면적이 유일하였다. 그러나 본 연구에서는 대부분의 평가변수가 측정부위에 관계없이 골다공증 예측에 대한 높은 유의성을 나타내었다.
- 마지막으로 선정된 평가변수들이 개별적으로는 골밀도를 유의하게 반영하여 골다공증에 대한 높은 예측 가능성을 나타내었지만, 각 측정부위에 대한 평가변수들 간의 상관관계는 매우 낮게 도출되었다. 일반적으로 각기 다른 부위에서 측정된 골밀도는 높은 상관관계를 나타낸다[29].
- 마지막으로 프랙탈 차원도 다른 측정 부위에 대한 결과와 동일하게 정상군보다 골다공증군에서 더욱 크게 나타났다(p<0.001).
- 마지막으로 프랙탈 차원도 대퇴경부에서와 마찬가지로 정상군 보다 골다공증군에서 유의한 차이(p<0.001)를 보이며 더욱 크게 나타났다.
- 마지막으로 프랙탈 차원도 정상군 보다 골다공증군에서 더욱 크게 도출되었다(p<0.002).
- 반면, 평균 회색조와 골두께를 제외한 모든 구조적 변수는 매우 높은 통계적 유의성(p<0.001)을 나타내었다.
- 기존 연구에서는 대퇴경부와 전자부의 골밀도가 가장 정확하게 골다공증을 예측할 수 있고, 워드 삼각부는 대사변화를 잘 반영하여 작은 골밀도를 나타낸다고 하였다[1]. 본 논문의 연구 결과는 이러한 기존 연구의 결과와 매우 높은 유사성을 보이며 높은 신뢰성을 나타내었다.
- 골밀도의 측정부위는 대퇴경부, 전자부 및 워드 삼각부로 구분하였고, 평가변수는 구조적 변수, 골격화 변수 등으로 구분되는 총 8가지를 선정하였다. 실험결과를 통해 평균 회색조를 제외한 모든 평가변수들이 측정부위에 관계없이 골밀도의 변화를 유의하게 반영하는 것을 확인하였다. 이를 통해, 선정된 평가변수들에 대한 골다공증 진단의 높은 예측 가능성을 확인하였다.
- 본 연구에서는 요추부의 골밀도 검사를 받은 폐경 이후의 여성 40명을 실험대상으로 선정하였다. 실험대상은 병록 기록지를 통해 척추 및 고관절 골절 등의 과거 병력이 없음을 확인하였다. 총 40명의 실험대상은 세계보건기구(World Health Organization, WHO)의 T-score에 따른 골다공증 분류 기준[20]에 따라 각각 20명의 정상군 및 골다공증군으로 분류되었다.
- 워드 삼각부에서 나타난 구조적 변수들은 평균 회색조를 제외하고 모두 높은 통계적 유의성(p<0.001)을 보이며 정상군보다 골다공증군에서 크게 나타났다 .
- 다음으로, 영상 내 골소주 패턴의 변화를 효율적으로 반영하기 위해 관심영역 영상과 흐림 영상의 차를 구하였고, 회색조 수준을 표준화하기 위해 도출된 차영상에 128의 회색조[16] 를 추가하였다(그림 2(c)). 이를 통해 영상 내 모든 영역의 평균 회색조 값은 원영상에서 나타난 기존의 밝기값을 대신하여 모두 128로 변환되었다. 변환된 영상은 영상 내 특징 영역과 골소주 패턴을 시각화하기 위해 128의 임계치를 통해 이원화되었다.
- 다만, 전자부에서 도출된 골두께는 다른 측정부위와 달리 골다공증군에서 오히려 작게 나타났지만, 이에 대한 통계적 유의성은 매우 낮게 도출되었다. 이를 통해, 구조적 변수인 골면적, 골둘레, 골두께, 말단 거리와 골격화 변수인 골길이는 골밀도가 감소할수록 증가하는 것을 확인하였다. 또한 골격화 변수인 골개수는 골밀도가 감소함에 따라 동일하게 감소하는 것을 확인하였다.
- 실험결과를 통해 평균 회색조를 제외한 모든 평가변수들이 측정부위에 관계없이 골밀도의 변화를 유의하게 반영하는 것을 확인하였다. 이를 통해, 선정된 평가변수들에 대한 골다공증 진단의 높은 예측 가능성을 확인하였다.
- 전자부에 대한 구조적 변수들은 에 나타난 바와 같이 골두께를 제외하고 모두 정상군 보다 골다공증군에서 크게 나타났다.
- 정상군과 골다공증 간의 평가변수를 비교한 결과, 골개수를 제외한 모든 평가변수가 골다공증군에서 더욱 크게 나타나는 것을 확인하였다. 구조적 변수의 평균 회색조는 모든 골밀도 측정부위에 대하여 정상군보다 골다공증군에서 더욱 크게 나타났으나, 통계적 유의성은 매우 낮게 나타났다.
- 즉, 정상군과 골다공증군의 골밀도는 모두 대퇴경부, 전자부 및 워드 삼각부 순으로 크게 나타났다(p<0.001).
- 001)을 보이며 정상군보다 골다공증군에서 크게 나타났다 <표 5>. 평균 회색조는 다른 구조적 변수들과 동일하게 정상군 보다 골다공증군에서 더욱 크게 나타났지만, 이에 대한 통계적 유의성은 매우 낮게 도출되었다(p=0.436). 반면, 골격화 변수인 골개수와 골길이는 대퇴경부 및 전자부의 결과와 마찬가지로 각각 정상군 및 골다공증군에서 더욱 크게 나타났다(p<0.
- 전자부에 대한 구조적 변수들은 <표 4>에 나타난 바와 같이 골두께를 제외하고 모두 정상군 보다 골다공증군에서 크게 나타났다. 평균 회색조는 정상군 보다 골다공증군에서 더욱 크게 나타났지만, 대퇴경부에서와 마찬가지로 매우 낮은 통계적 유의성(p=0.193)을 나타내었다. 또한 골두께는 대퇴경 부에서와 반대로 골다공증군에서 더 작게 나타났으나, 감소 추이는 통계적으로 유의하지 않았다(p=0.
- 평균 회색조를 제외한 모든 구조적 변수와 골격화 변수는 각 측정부위에 대하여 매우 높은 통계적 유의성(p<0.003)을 나타내었다.
- 프랙탈 차원은 모든 측정부위에 대하여 높은 통계적 유의성을 보이며 골밀도가 감소함에 따라 증가하는 특징을 나타내었다. 선행연구[19]에서는 각 측정부위에 대한 프랙탈 차원의 변화가 매우 낮은 통계적 유의성을 나타내었지만, 본 연구에서는 이와 정반대의 결과가 도출되었다.
후속연구
- 또한 선정된 평가변수들에 대한 임상적 유효성을 확보하기 위해, 광범위한 연령층 및 성별에 따른 골소주 패턴 분석을 수행하고자 한다. 마지막으로 프랙탈 차원에 대한 임상적 활용 가능성을 평가하기 위해 다수의 실험군을 대상으로 추가 연구를 수행할 예정이다.
- 또한 프랙탈 차원도 구조적 변수 및 골격화 변수와 마찬가지로 골밀도가 감소함에 따라 증가하거나[21][27] 감소한다는[22][28] 상반된 연구결과가 보고되고 있다. 이러한 한계점을 해결하기 위해 광범위한 실험군을 대상으로 프랙탈 차원에 대한 추가적인 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 또한 Sakoda[26] 등은 하악골에 대한 골소주 패턴 분석을 통해, 골면적, 골둘레 및 골두께는 골밀도가 감소함에 따라 동일하게 감소한다고 보고하였다. 이처럼, 아직까지는 측정변수에 대하여 상반된 연구결과가 일부 보고되고 있어, 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 추후 연구에서는 미세 골소주 영역까지도 분석이 가능하도록 영상의 회색조 수준을 표준화하고 개별적인 임계값 조건을 적용하여 골다공증에 대한 예측 정확도를 평가하고자 한다. 또한 선정된 평가변수들에 대한 임상적 유효성을 확보하기 위해, 광범위한 연령층 및 성별에 따른 골소주 패턴 분석을 수행하고자 한다.
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