[논문]초음파 영상 분석을 위한 3D 프린팅 기반 미세유체소자

강동국; 홍현지; 염은섭

doi:10.5407/jksv.2018.16.1.015

초음파 영상 분석을 위한 3D 프린팅 기반 미세유체소자
Microfluidic Device for Ultrasound Image Analysis based on 3D Printing 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.16 no.1, 2018년, pp.15 - 20

강동국 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University) , 홍현지 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University) , 염은섭 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

For the measurement of biophysical properties related with cardiovascular diseases (CVD), various microfluidic devices were proposed. However, many devices were monitored by optical equipment. Ultrasound measurement to quantify the biophysical properties can provide new insights to understand the cardiovascular diseases. This study aims to check feasibility of microfluidic device for ultrasound image analysis based on 3D printer. To facilitate acoustic transmission, agarose solution is poured around 3D mold connected with holes of the acrylic box. By applying speckle image velocimetry(SIV) technique, flow information in the bifurcated channel was estimated. Considering that ultrasound signal amplitude is determined by red blood cell (RBC) aggregation, RBC aggregation in the bifurcated channel can be estimated through the analysis of ultrasound signal. As examples of microfluidic device which mimic the CVD model, velocity fields in microfluidic devices with stenosis and aneurysm were introduced.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이러한 측정을 통하여 입자의 분포나, 유동의 속도 분포 및 적혈구 응집 정도 등을 예측할 수 있다. 본 연구에서는 대표적으로 분지 형상에서 속도 및 적혈구 응집 분포에 대한 측정 결과를 보여주고 다른 순환기 질환을 모사한 형상에 대한 적용 가능성을 확인하려 한다.
그리고 이러한 측정을 통하여 질병을 진단하기 위한 인자를 개발하는 연구가 수행되고 있으며, 구체적으로 당뇨 및 패혈증의 예측을 위한 인자 개발 연구가 있다^(7,8). 본 연구에서는 미세유체소자의 장점과 초음파 영상 기법을 접목시켜 초음파 영상 분석을 위한 미세유체소자에 대한 개념을 소개하려 한다.
본 연구에서는 초음파 이미징을 위한 미세유체소자의 적용 가능성에 대하여 연구를 수행하였다.

제안 방법

SIV 에서 사용한 조사구간의 크기는 64 × 16픽셀이고, 50% 중첩(overlapping)을 적용하였다.
5는 시간에 따른 상류 주관에서의 초음파 신호의 변화를 보여 주고 있다. 관의 위치는 직경으로 나누어 무차원화 시켜주었으며, 초음파 신호 또한 최댓값으로 나누어 무차원화 시켜주었다. 관의 중심은 상대적으로 높은 초음파 신호 값을 가지며, 벽면 근처는 낮은 초음파 신호를 가지는 것을 확인할 수 있다.
5 s이다. 그리고 맥동유동의 변화 정도를 정량화하기 위해 제안되는 아래의 맥동 지수(PI; pulsatility index) 값을 측정하였다⁽¹¹⁾.
혈액 샘플은 쥐의 복부대동맥에서 채취한 후 혈액을 헤파린 튜브에 넣어 항응고처리를 하여 준비하였다. 그리고 맥동을 지니는 유동을 만들기 위해 프로그램 입력이 가능한 주사기 펌프(neMESYS, Centoni GmbH, Germany)를 통하여 미세 채널에 주입하였다.
본 연구에서 분지 혈관을 모사한 채널 내부 혈액 유동의 유량 정보는 SIV기법을 적용하여 구하였으며, 적혈구 응집 정도는 초음파 신호를 분석하여 예측하였다. 그리고 순환기 질환 모델을 모사한 장치의 구현 가능성을 확인하기 위해 협착과 복부대동맥류를 모사하고 내부 유동의 속도장을 측정하였다. 3D 프린터를 이용한 초음파 영상용 미세유체소자의 개발은 광학적 기법으로 접근하지 못한 새로운 부분을 확인 할 수 있을 것이며, 이는 순환기 질환을 예측하는 인자를 측정하는데 도움이 될 것으로 예상된다.
맥동성 유동 특징을 정의하기 위해 상류 주관의 유동 방향에 대한 초음파 영상을 획득한 후 SIV를 이용하여 속도 정보를 획득하였다. 2차원 속도장을 유동 방향으로 평균을 하면 관의 반경 위치에 따른 속도 분포 정보를 얻을 수 있다.
시간이 지남에 따라 맥동 유동에 의해 관의 중심 부분에서 초음파 신호가 변화하는 것을 관측할 수 있다. 보다 자세하게 분석하기 위해 관심 영역(Region of interest)에서의 평균 초음파 신호를 측정하였다(Fig. 6). Fig.
그리고 이러한 적혈구 응집은 초음파 신호에 영향을 주며, 초음파 신호를 분석하여 적혈구 응집 정도를 예측할 수 있다. 이러한 분석을 위해 Fig. 4에서 표한 분지점으로부터 상류 10 mm, 하류 10 mm 위치의 관의 단면에서 혈액의 초음파 신호를 분석하여 맥동 조건 중 적혈구 응집의 변화를 예측하였다.
측정 시 발생하는 에러를 줄이기 위해 3 × 3 median 커널을 이용하여 필터링(filtering)을 하였다.
1은 초음파 이미징을 위한 미세유체소자의 제작 및 실험 절차를 보여 주고 있다. 측정하고자 하는 목적에 맞게 미세유체소자의 도관을 3차원으로 설계를 하고, 이를 구현하기 위해 3차원 프린팅 장비를 활용한다. 3차원으로 구현된 도관을 형상에 맞게 제작된 아크릴 틀에 고정을 시킨다.
획득한 채널 내부 영상을 관심 영역에 대하여 자른 후, SIV 유동 계측의 정확도를 올리기 위해 초음파 영상에 영상 처리를 적용하였다⁽²⁾. SIV 에서 사용한 조사구간의 크기는 64 × 16픽셀이고, 50% 중첩(overlapping)을 적용하였다.

대상 데이터

미세유체소자 내부의 초음파 영상은 섹터 스캔형 35-MHz 초음파 변환기(Capistrano Labs, San Clemente, CA, USA)를 이용하여 획득하였다. 변환기의 초점거리는 11.
8 mm이며, 직경은 5 mm이고, 이를 20°의 각도로 스캔하여 2차원 영상이 구성된다. 영상을 획득하기 위해 초음파 투과 젤(ultrasound transmission gel)을 미세유체소자 위에 사용하였으며, 두 장의 영상들 사이의 시간 간격은 20 ms이고 측정 시간은 5.1 s이다. 혈액 샘플은 쥐의 복부대동맥에서 채취한 후 혈액을 헤파린 튜브에 넣어 항응고처리를 하여 준비하였다.
1 s이다. 혈액 샘플은 쥐의 복부대동맥에서 채취한 후 혈액을 헤파린 튜브에 넣어 항응고처리를 하여 준비하였다. 그리고 맥동을 지니는 유동을 만들기 위해 프로그램 입력이 가능한 주사기 펌프(neMESYS, Centoni GmbH, Germany)를 통하여 미세 채널에 주입하였다.

이론/모형

초음파 장치를 이용하여 광학적인 측정에서 확인할 수 없는 특성들을 측정할 수 있었으며, 이를 이용하면 혈액 유동의 생물리학적 특성을 추가적으로 측정할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서 분지 혈관을 모사한 채널 내부 혈액 유동의 유량 정보는 SIV기법을 적용하여 구하였으며, 적혈구 응집 정도는 초음파 신호를 분석하여 예측하였다. 그리고 순환기 질환 모델을 모사한 장치의 구현 가능성을 확인하기 위해 협착과 복부대동맥류를 모사하고 내부 유동의 속도장을 측정하였다.
그리고 동맥류(Aneurysm)를 모사한 경우 주관의 직경은 1,090 μm 이며 최대 팽창부의 직경은 3,500 μm이다. 앞서 기술된 분지에서의 유동 분석과 유사하게 SIV 기법을 이용하여 속도장을 측정하였다. 협착을 지나면서 유동이 가속되거나, 팽창되는 부분을 지나면서 유동이 급격히 감소되는 것을 확인 할 수 있다.

후속연구

이러한 순환기 질환 모델을 모사한 미세유체소자는 순환기 질환과 유동 그리고 다양한 생물리학적 인자들 사이의 연관성을 이해하는데 도움이 될 것이다. 그리고 본 연구의 결과를 통하여 초음파 이미징을 위한 다양한 형상을 지닌 미세유체소자의 적용 가능성을 제시할 수 있을 것으로 여겨진다.
협착을 지나면서 유동이 가속되거나, 팽창되는 부분을 지나면서 유동이 급격히 감소되는 것을 확인 할 수 있다. 이러한 순환기 질환 모델을 모사한 미세유체소자는 순환기 질환과 유동 그리고 다양한 생물리학적 인자들 사이의 연관성을 이해하는데 도움이 될 것이다. 그리고 본 연구의 결과를 통하여 초음파 이미징을 위한 다양한 형상을 지닌 미세유체소자의 적용 가능성을 제시할 수 있을 것으로 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음파 영상의 큰 장점은?	초음파 영상은 불투명한 내부 영상을 볼 수 있다는 큰 장점에 의해, 인체 내부의 장기 가시화나 불투명한 도관 내부의 속도 측정 등에 사용되고 있다. 그 중 생체 내 혈액 유동을 계측하기 위한 방법으로 초음파 Doppler를 이용한 혈류 분포 가시화가 보편적으로 사용되고 있다.
	초음파 영상은 어떠한 부분에서 사용되는가?	초음파 영상은 불투명한 내부 영상을 볼 수 있다는 큰 장점에 의해, 인체 내부의 장기 가시화나 불투명한 도관 내부의 속도 측정 등에 사용되고 있다. 그 중 생체 내 혈액 유동을 계측하기 위한 방법으로 초음파 Doppler를 이용한 혈류 분포 가시화가 보편적으로 사용되고 있다.
	speckle image velocimetry는 초음파 조영제를 이용하지 않고도 속도 분포를 측정할 수 있다는 장점이 있는데, 이러한 장점으로 수행되었던 연구는?	그 중 혈액에 의해 산란된 초음파 신호를 이용하여 속도 분포를 측정하는 speckle image velocimetry(SIV)는 초음파 조영제를 이용하지 않고도 속도 분포를 측정할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 정맥의 판막과 주변의 혈액 유동 분포를 동시에 측정하는 연구가 수행되기도 하였다(3). 더욱이 SIV 신호는 적혈구에 의해 나오는 신호이기 때문에 적혈구의 거동에 의한 혈액의 유변학적 특징을 나타낸다.

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표제어: PCR

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