Abstract
Osteoporosis is a clinical condition in which the amount of bone tissue is reduced and the likelihood of fracture is increased. It is known that the electrical property of the bone is related to its density, and, in particular, the electrical resistance of the bone decreases as the bone loss increases. This implies that the electrical property of bone may be an useful parameter to diagnose osteoporosis, provided that it can be readily measured. The study attempted to evaluate the electrical conductivity of bone using a technique of electrical impedance tomography (EIT). It nay not be easy in general to get an EIT for the bone due to the big difference (an order of 2) of electrical properties between the bone and the surrounding soft tissue. In the present study, we took an adaptive mesh regeneration technique originally developed for the detection of two phase boundaries and modified it to be able to reconstruct the electrical conductivity inside the boundary provided that the geometry of the boundary was given. Numerical simulation was carried out for a tibia phantom, circular cylindrical phantom (radius of 40 mm) inside of which there is an ellipsoidal homeogenous tibia bone (short and long radius are 17 mm and 15 mm, respectively) surrounded by the soft tissue. The bone was located in the 15 mm above from the center of the circular cross section of the phantom. The electrical conductivity of the soft tissue was set to be 4 mS/cm and varies from 0.01 to 1 ms/cm for the bone. The simulation considered measurement errors in order to look into its effects. The simulated results showed that, if the measurement error was maintained less than 5 %, the reconstructed electrical conductivity of the bone was within 10 % errors. The accuracy increased with the electrical conductivity of the bone, as expected. This indicates that the present technique provides more accurate information for osteoporotic bones. It should be noted that tile simulation is based on a simple two phase image for the bone and the surrounding soft tissue when its anatomical information is provided. Nevertheless, the study indicates the possibility that the EIT technique may be used as a new means to detect the bone loss leading to osteoporotic fractures.
골다공증은 골 조직의 량이 감소하여 골절의 가능성이 증가하는 상태이다. 뼈의 전기적 특성은 골 밀도와 관련이 있으며, 특히 뼈의 절기 저항은 골 소실이 증가할수록 감소하는 것으로 알려져 있다. 만일 신뢰성 있는 측정이 가능하다면, 뼈의 전기적인 특성은 골다공증 진단을 위한 유용한 변수가 될 수 있음을 의미한다 본 연구에서는 EIT (electrical impedance tomography) 기술을 이용하여 뼈의 전기 전도도 평가를 시도하였다. 뼈와 주위의 연조직 간의 전기적인 특성의 차이가 크기 때문에 (100 정도), 일반적으로, 뼈의 EIT를 얻기는 쉽지 않다. 본 연구에서는 이상 경계 검출을 위해 개발된 adaptive mesh regeneration 기법을 이용하여, 주어진 경계면의 기하학적 조건하에서, 경계 내부의 전기전도도를 복원할 수 있도 록 하였다. 수치 해석은 균일한 타원형 (장경 17 mm, 단경 15 mm) 뼈와 주위의 연 조직으로 구성된 반경 40 mm인 원통형 팬텀으로 모의한 경골에 대해 수행하였다. 타원형 뼈는 팬텀의 원형 단면 중심에서 15 mm 위쪽에 위치하도록 하였다. 연 조직의 전기 전도도는 4 mS/cm로 고정하였고, 뼈에 대해서는 0.01 - 1 mS/cm에서 변하도록 하였다. 측정 오차에 의한 효과를 분석하기 위해 시뮬레이션은 측정 오차를 포함하도록 하였다. 시뮬레이션 결과, 만일 측정 오차가 5 % 미만으로 유지될 경우, 재구성된 뼈의 전기전도도는 10 % 이내의 오차를 갖는 것으로 나타났다. 예측할수 있듯이 복원의 정확도는 뼈의 전기 전도도가 증가함에 따라 증가하였다. 이것은 사용된 EIT가 골 소실이 진행된 뼈에 대한 좀더 정확한 정보를 제공할 수 있음을 시사한다. 본 연구는, 뼈의 해부학적인 정보를 알고 있을 때 뼈와 주위의 연조직에 대한 단순한 이상 영상에 한정된 결과를 제공하지만, EIT 기술이 골다공증 골절을 예측하는 새로운 방법으로 활용될 가능성을 시사한다.
