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문제 정의
- 골다공증은 전신적인 대사성 골질환이므로 골량의 손실이 중심 골격계에서만 발생되진 않으며, 직접적인 골절 위험도가 높은 부위에서의 측정이 필요한 것으로 인식되고 있다[8]. 본 연구에서는 소 대퇴골로부터 제작된 20개의 해면질골 샘플을 이용하여 골절 위험도가 높은 대퇴골에서 SOS 및 nBUA의 골밀도에 대한 의존성을 살펴보았다. 대퇴골 해면질골 샘플의 SOS 및 nBUA는 1.
- 그러나 본 연구에서 이용된 대퇴골의 경우 종골에 비하여 상대적으로 두꺼운 피질골 두께뿐만 아니라 생체 내 조건에서 대퇴골 주변의 두꺼운 연조직 및 초음파가 투과하기에 용이하지 않은 대퇴골의 해부학적 구조 등의 요인이 초음파 변수 측정의 정확도에 상당한 영향을 미칠 것으로 예상된다. 현재 본 논문의 저자는 후속연구로서 순수한 해면질골이 아닌 피질골을 포함하는 대퇴골샘플에서 초음파 변수를 측정하고, 이들과 골밀도 사이의 상관관계에 대한 연구를 수행하고 있다. 향후 대퇴골의 피질골이 대퇴골 근위부의 초음파 변수 측정에 미치는 영향이 밝혀진다면 골다공증 진단을 위한 정량적 초음파 기술의 유용성을 제고할 수 있을 것으로 기대된다.
제안 방법
- Fig. 1에 나타낸 실험장치 개략도와 같이 해면질골 샘플의 SOS 및 nBUA는 20℃의 온도를 갖는 수중에서 투과법을 이용하여 측정하였다[9,10]. 12.
- 2에 나타낸 기준신호 및 샘플신호를 푸리에 변환하여 얻은 파워스펙트럼 레벨과 식(3)을 이용하여 구하였다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이 다공성 매질인 해면질골 샘플에서 주파수가 증가함에 따라 감쇠계수 또한 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있으며, 20개의 샘플에서 측정된 감쇠계수의 선형적인 주파수 의존성을 고려하여 0.5부터 1.1 MHz까지의 주파수 영역에 대하여 nBUA를 결정하였다.
- 본 연구에서는 소 대퇴골로부터 제작된 20개의 해면질골 샘플을 이용하여 골절 위험도가 높은 대퇴골에서 SOS 및 nBUA의 골밀도에 대한 의존성을 살펴보았다. 대퇴골 해면질골 샘플의 SOS 및 nBUA는 1.0 MHz의 중심주파수를 갖는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서와 함께 투과법을 이용하여 측정하였다.
- 또한 본 연구에서는 20개의 대퇴골 해면질골 샘플에 대하여 SOS 및 nBUA로부터 골밀도를 예측하기 위하여 SOS 및 nBUA를 독립변수로 하고, 골밀도를 종속변수로 하는 다중선형회귀분석을 수행하였다. 이와 같이 SOS 및 nBUA 모두를 독립변수로 하는 다중선형회귀모델의 상관계수는 r = 0.
- 6 mm보다 큰 폭을 갖도록 제작하였다. 또한 해면질골 샘플 내부의 골수를 제거하기 위하여 100℃ 이상의 수중에서 가열하였으며, 초음파 변수를 측정하기 전에 샘플 내부의 기포를 제거하기 위하여 약 1 mmHg의 압력을 갖는 진공 데시케이터에서 약 8시간 동안 보관하였다.
- 초음파 펄스를 송신 및 수신하기 위하여 펄서/리시버(Panametris 5800PR)를 이용하였으며, 수신된 초음파 신호를 관찰 및 수집하기 위하여 디지털 오실로스코프(LeCroy WS44Xs)를 이용하였다. 모든 해면질골 샘플의 SOS 및 nBUA는 각 샘플의 중심으로부터 위치를 미세하게 변화시켜가며 서로 다른 10개의 관심영역에 대하여 측정하였다. 해면질골 샘플의 SOS 및 nBUA는 서로 마주 보는 초음파 트랜스듀서 사이에 샘플이 없는 경우와 있는 경우에 수신된 초음파 신호를 이용하여 측정하였다.
- 본 생체 외 연구에서는 골절 위험도가 높은 대퇴골에서 축출된 해면질골 샘플의 SOS 및 nBUA를 측정하고, 이들의 골밀도에 대한 의존성을 살펴보았다. 현재 임상에서 가장 널리 이용되고 있는 종골을 측정 부위로 하는 초음파 골밀도 측정기를 이용하여 측정된 초음파 변수는 종골의 골밀도와 강한 선형적인 상관관계를 나타내지만 대퇴골 및 요추골의 골밀도와는 비교적 낮은 상관관계를 나타내는 것으로 보고되었다[12].
- 본 생체 외 연구에서는 소 대퇴골로부터 제작된 20개의 해면질골 샘플을 이용하여 골다공증 진단을 위한 초음파 변수인 SOS 및 nBUA의 골밀도에 대한 의존성을 살펴보았다. 1.
- SOS는 식 (1)을 이용하여 결정하였으며, nBUA를 결정하기 위하여 식(3)을 이용하여 감쇠계수 α(f)를 구하였다. 본 연구에서는 특정한 주파수 영역에 대한 감쇠계수의 기울기로 정의되는 nBUA를 결정하기 위하여 본 연구에서 측정된 감쇠계수의 선형적인 주파수 의존성을 고려하여 0.5부터 1.1 MHz까지의 주파수 영역을 이용하였다.
- 모든 해면질골 샘플의 SOS 및 nBUA는 각 샘플의 중심으로부터 위치를 미세하게 변화시켜가며 서로 다른 10개의 관심영역에 대하여 측정하였다. 해면질골 샘플의 SOS 및 nBUA는 서로 마주 보는 초음파 트랜스듀서 사이에 샘플이 없는 경우와 있는 경우에 수신된 초음파 신호를 이용하여 측정하였다. SOS는 식 (1)을 이용하여 결정하였으며, nBUA를 결정하기 위하여 식(3)을 이용하여 감쇠계수 α(f)를 구하였다.
- 본 연구에 이용된 20개의 소 대퇴골 해면질골 샘플은 3개의 소 대퇴골로부터 제작하였다. 해면질골 샘플의 초음파 변수 측정에 큰 영향을 미치는 피질골은 전기톱을 이용하여 제거하였으며, 샘플의 모든 표면이 매끈한 육면체의 형태로 제작하였다. 20개의 해면질골 샘플은 14.
대상 데이터
- 20개의 해면질골 샘플은 14.9±2.1 mm(평균값±표준편차)의 두께를 가지며, 본 연구에서 이용된 초음파 트랜스듀서의 중심 로브의 폭인 7.6 mm보다 큰 폭을 갖도록 제작하였다.
- 본 연구에 이용된 20개의 소 대퇴골 해면질골 샘플은 3개의 소 대퇴골로부터 제작하였다. 해면질골 샘플의 초음파 변수 측정에 큰 영향을 미치는 피질골은 전기톱을 이용하여 제거하였으며, 샘플의 모든 표면이 매끈한 육면체의 형태로 제작하였다.
- 트랜스듀서 사이의 해면질골 샘플은 그 중심이 각 트랜스듀서의 근거리 음장 길이와 일치하는 지점에 위치하였다. 초음파 펄스를 송신 및 수신하기 위하여 펄서/리시버(Panametris 5800PR)를 이용하였으며, 수신된 초음파 신호를 관찰 및 수집하기 위하여 디지털 오실로스코프(LeCroy WS44Xs)를 이용하였다. 모든 해면질골 샘플의 SOS 및 nBUA는 각 샘플의 중심으로부터 위치를 미세하게 변화시켜가며 서로 다른 10개의 관심영역에 대하여 측정하였다.
성능/효과
- 본 생체 외 연구에서는 소 대퇴골로부터 제작된 20개의 해면질골 샘플을 이용하여 골다공증 진단을 위한 초음파 변수인 SOS 및 nBUA의 골밀도에 대한 의존성을 살펴보았다. 1.0 MHz의 중심주파수를 갖는 초음파 트랜스듀서를 이용하여 측정된 SOS 및 nBUA는 골밀도와 각각 r = 0.83 및 0.72라는 높은 Pearson 상관계수 (r)를 갖는 것으로 나타났다. 또한 SOS 및 nBUA를 독립변수로 하고, 골밀도를 종속변수로 하는 다중선형회귀분석으로부터 다중선형회귀모델의 상관계수는 r =0.
- SOS 및 nBUA는 총 10개의 관심영역에 대하여 측정하였으며, Table 1에 나타낸 값은 10개의 관심영역에서 측정된 값들의 평균값을 나타낸다. 20개의 대퇴골 해면질골 샘플에서 측정된 SOS는 1459부터 1656 m/s까지 분포하였으며, nBUA는 9.9부터 26.8 dB/cm/MHz까지 분포하였다.
- 이 그림에서 ○ 기호는 Table 1에 나타낸 각각의 샘플에서 측정된 평균값을 나타내며, 흑색 실선으로 나타낸 직선은 이들 평균값에 대한 선형회귀를 의미한다. Fig. 4에서 볼 수 있듯이 20개의 해면질골 샘플에서 측정된 SOS 및 nBUA는 골밀도와 각각 r = 0.83 및 0.72라는 높은 Pearson 상관계수 (r)를 갖는 것으로 나타났다. 초음파 변수와 골밀도 사이의 높은 선형적인 상관관계는 대퇴골에서 측정된 초음파변수가 대퇴골의 골밀도를 예측하기에 충분한 지표라는 것을 의미한다.
- Table 1은 본 연구에서 이용된 20개 대퇴골 해면질골 샘플의 골밀도, SOS, 및 nBUA를 나타낸다. 겉보기 밀도 측정법을 이용하여 측정된 해면질골 샘플의 골밀도는 0.425 g/cm3의 평균값을 가지며, 59-90세의 사람 종골에서 축출된 샘플의 평균 골밀도 0.262 g/cm3보다 다소 높은 값을 갖는 것으로 나타났다[11]. SOS 및 nBUA는 총 10개의 관심영역에 대하여 측정하였으며, Table 1에 나타낸 값은 10개의 관심영역에서 측정된 값들의 평균값을 나타낸다.
- 72라는 높은 Pearson 상관계수 (r)를 갖는 것으로 나타났다. 또한 SOS 및 nBUA를 독립변수로 하고, 골밀도를 종속변수로 하는 다중선형회귀분석으로부터 다중선형회귀모델의 상관계수는 r =0.85로서 SOS 또는 nBUA 중 하나만을 독립변수로 하는 단순선형회귀모델의 상관계수보다 높게 나타났다. 이와 같이 초음파 변수와 골밀도 사이의 높은 선형적인 상관관계는 대퇴골에서 측정된 초음파 변수가 대퇴골의 골밀도를 예측하기에 충분한 지표라는 것을 의미한다.
- 이와 같은 결과는 종골에서 측정된 초음파 변수는 대퇴골 및 요추골의 골밀도를 예측하기에 최적의 지표가 아님을 의미한다. 본 연구와 같이 생체 외 조건에서 측정된 대퇴골 해면질골 샘플의 SOS 및 nBUA는 대퇴골의 골밀도와 모두 높은 선형적인 상관관계를 나타내므로 이들이 대퇴골의 골밀도를 예측하기에 충분한 지표라는 것을 알 수 있다. 이와 같은 이유로 인하여 수년전부터 골절 위험도가 높은 대퇴골 경부의 초음파 변수를 직접적으로 측정하기 위하여 생체 외 및 생체 내 조건의 연구가 활발히 진행되고 있다[13,14].
- 또한 본 연구에서는 20개의 대퇴골 해면질골 샘플에 대하여 SOS 및 nBUA로부터 골밀도를 예측하기 위하여 SOS 및 nBUA를 독립변수로 하고, 골밀도를 종속변수로 하는 다중선형회귀분석을 수행하였다. 이와 같이 SOS 및 nBUA 모두를 독립변수로 하는 다중선형회귀모델의 상관계수는 r = 0.85로서 SOS (r = 0.83) 또는 nBUA (r =0.72) 중 하나만을 독립변수로 하는 단순선형회귀모델의 상관계수보다 높게 나타났다. 다중선형회귀모델이 단순선형회귀모델보다 높은 상관계수를 나타내는 이유는 다중선형회귀모델의 독립변수로 이용된 SOS 및 nBUA 사이에 높은 상관관계가 존재하기 때문이며, 실제로 SOS는 nBUA와 r =0.
후속연구
- 현재 임상에서 골다공증 진단을 위하여 이용되고 있는 정량적 초음파 기술은 종골의 피질골 두께가 매우 얇아 해면질골의 초음파 변수 측정에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 알려져 있다. 그러나 본 연구에서 이용된 대퇴골의 경우 종골에 비하여 상대적으로 두꺼운 피질골 두께뿐만 아니라 생체 내 조건에서 대퇴골 주변의 두꺼운 연조직 및 초음파가 투과하기에 용이하지 않은 대퇴골의 해부학적 구조 등의 요인이 초음파 변수 측정의 정확도에 상당한 영향을 미칠 것으로 예상된다. 현재 본 논문의 저자는 후속연구로서 순수한 해면질골이 아닌 피질골을 포함하는 대퇴골샘플에서 초음파 변수를 측정하고, 이들과 골밀도 사이의 상관관계에 대한 연구를 수행하고 있다.
- 향후 대퇴골의 피질골이 대퇴골 근위부의 초음파 변수 측정에 미치는 영향이 밝혀진다면 골다공증 진단을 위한 정량적 초음파 기술의 유용성을 제고할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 임상에서 활용가능한 대퇴골 근위부의 골밀도를 직접 평가할 수 있는 초음파 골다공증 진단기기의 개발을 가능케 할 것으로 기대된다.
- 현재 본 논문의 저자는 후속연구로서 순수한 해면질골이 아닌 피질골을 포함하는 대퇴골샘플에서 초음파 변수를 측정하고, 이들과 골밀도 사이의 상관관계에 대한 연구를 수행하고 있다. 향후 대퇴골의 피질골이 대퇴골 근위부의 초음파 변수 측정에 미치는 영향이 밝혀진다면 골다공증 진단을 위한 정량적 초음파 기술의 유용성을 제고할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 임상에서 활용가능한 대퇴골 근위부의 골밀도를 직접 평가할 수 있는 초음파 골다공증 진단기기의 개발을 가능케 할 것으로 기대된다.
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