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문제 정의
- 본 논문에서는 재현성에 영향을 미치는 요인들 중 측정 방식에 있어서 제어가 가능한 인자들을 최적화하는 방법을 제안하였다. 이를 위하여 파형의 주기수에 따른 재현성의 영향과 전파 매질의 온도 변화에 따른 초음파 신호의 변화, 온도 상승 변화율에 따른 마이크로버블의 발생을 억제하기 위한 온도제어 방법을 제시하였다.
제안 방법
- 구해진 관심영역의 각 직경별 광역감쇠값은 연령과 비교하여 상관 관계를 분석하였다. 이를 위하여 모두 171명(20~88 세)의 여성 피측정자에 대한 각각의 관심영역 직경에서 광역감쇠의 평균값과 연령과의 선형관계를 구하였다.
- 동일한 측정데이터에 대해 관심 영역의 직경에 따른 재현성을 평가하기 위해 우선 10회 반복 측정한 초음파 데이터를 매번 파일로 저장하였으며 관심영역의 직경을 5, 9, 13 그리고 17mm로 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 10°C내외의 차가운 물을 급속히 가열하면 마이크로 버블이 발생하기 쉬운 조건이 된다. 본 논문에서는 마이크로 버블의 발생을 억제하면서도 가열 시간을 단축하고 정밀한 온도제어를 위한 온도제어 알고리즘을 Fig. 8 에 제시하고 있다. 여기서 Ttarget 과 Trange 는 목표온도와 오차범위이 다.
- 본 연구에서는 초음파 전파 매질인 물이 담기는 수조의 온도제어는 수조 하단에 장착된 평판형 실리콘 히터에 220V 교류를 (Msec의 고정된 시간만큼 도통시킴으로써 가열하며 그 주기를 바꿈으로써 온도를 제어하는 방식을 채택하고 있다. 10°C내외의 차가운 물을 급속히 가열하면 마이크로 버블이 발생하기 쉬운 조건이 된다.
- 5 °C 의 범위로 제어하여 온도에 의한 영향은 최대한 배제하였다. 실험은 성인 남녀 7명(남자 3명, 여자 4명)어】 대해 각각 10회씩 실시하였으며 측정 신호를 파일로 저장하여 주기를 1주기, 1.5주기, 2 주기, 2.5 주기 그리고 3주기로 바꾸어 가면서 시뮬레이션을 수행하였다.
- 온도 변화에 따른 초음파 파라미터의 특성을 분석하기 위해 균일한 재질의 폴리에틸렌(음향 임피던스: 1.7), MC-Nylon(음향 임피던스: 2.9), 테플론(음향 임피던스: 3.0) 그리고 우레탄(음향 임피던스: 1.9) 재질의 시편과 골밀도가 정상인 사람과 골다공증 환자를 측정하였다. 그 결과를 Table 1 에 나타내고 있다.
- 방법을 제안하였다. 이를 위하여 파형의 주기수에 따른 재현성의 영향과 전파 매질의 온도 변화에 따른 초음파 신호의 변화, 온도 상승 변화율에 따른 마이크로버블의 발생을 억제하기 위한 온도제어 방법을 제시하였다.
- 종골의 골질 분포 영상으로부터 ROI 의 직경변화에 따른 광역감쇠값의 재현성에 대한 평가를 실시하였다. 동일한 측정데이터에 대해 관심 영역의 직경에 따른 재현성을 평가하기 위해 우선 10회 반복 측정한 초음파 데이터를 매번 파일로 저장하였으며 관심영역의 직경을 5, 9, 13 그리고 17mm로 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 초음파의 전파 매질로는 증류수가 사용되었으며, 물의 공급 및 배수를 위하여 2개의 기어펌프, 2 개의 솔레노이드 밸브, 광학식 수위 센서, 물의 가열을 위한 실리콘 평판히터, 반도체 온도 감지 센서를 사용하였다.
- 그 결과를 Table 1 에 나타내고 있다. 특히 사람을 측정할 때는 초음파의 입사에 대해 전반적으로 평평한 종골 융기 부위를 측정함으로서 종골 형상에 따른 영향을 최대한 억제한 상태에서 측정을 실시하였다.
대상 데이터
- 사용된 초음파 탐촉자는 수침 식 의 유초점형으로 중심 주파수가 0.5MHz, 초점거리는 31.75mm이며 진동소자의 직경은 25.4mm 이다.
- 비교하여 상관 관계를 분석하였다. 이를 위하여 모두 171명(20~88 세)의 여성 피측정자에 대한 각각의 관심영역 직경에서 광역감쇠의 평균값과 연령과의 선형관계를 구하였다.
성능/효과
- (1) 파형을 1 주기로 분리하는 것이 재현성에 가장 적합한 것으로 나타났다.
- (2) 온도 제어 알고리즘으로 마이크로 버블의 발생을 크게 감소 시켰다.
- (3) 관심 영역의 직경이 13mm일 때가 재현성이 좋았으며 골밀도와 연령과의 상관관계도 높게 나타났다.
- (4) 최적의 측정 조건들을 구비하여 보다 향상된 재현성을 얻고, 이를 통하여 보다 정확한 골다공증의 진단이 가능함을 확인하였다.
- 6 세)의 종골 영상에서 관심영역의 직경에 따른 재현성을 나타내고 있다. 9mm일 때가 재현성이 가장 좋은 것으로 나타났으며 13mm일 때도 비교적 양호한 재현성을 보여주었다. Conference on NDT.
- 2 에 20명에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. CV 값이 작게 나타날수록 재현성이 우수한 것으로 1주기일 때가 재현성이 가장 우수하며 개인간 재현성의 편차도 가장 작게 나타났다. 주기수가 늘어날수록 대체로 재현성이 떨어지며 개인 간 편차도 커지는 것을 알 수 있었다.
- 이는 비중 및 음향 임피던스가 작은 재질의 물질이 중심주파수의 저주파수 대역으로의 천이 및 최대 주파수 스펙트럼 진폭의 감소로 인해 초음파 광역 감쇠 값이 증가함을 나타내는 결과이다. 동일한 재질의 두께가 다른 우레탄 시편에 대한 결과에서는 두께가 증가할수록, 중심 주파수가 저주파수 대역으로 천이되고, 주파수 대역폭이 감소하며, 최대 주파수 스펙트럼 진폭이 감소하여 초음파 광역 감쇠가 증가하였다. 최대 주파수 스펙트럼 진폭은 온도가 증가함에 따라 전반적으로 증가하였으나, 테프론 시편과 우레탄 46t 두께 시편의 경우에는 감소함을 나타내었다.
- 모든 시편 및 사람에 대해 온도의 증가에 딱라 중심 주파수는 증가하고, 대역폭은 좁아지며 주파 Tomography in Assessing Trabecular Bone Strength/' 수 스펙트럼의 최대 진폭은 증가하게 되어 초음파 광역 감쇠의 값이 감소하게 됨을 확인할 수 있었다.
- 7 은 폴리에틸렌(PE) 시편에 대해서 27°C와 32°C에서 측정한 초음파 신호와 주파수 스펙트럼을 나타내고 있다. 물을 통과하여 얻어진 결과와 같이 온도 상승에 따라 전달시간은 감소하고, 주파수 스펙트럼의 진폭은 상승하며, 대역폭은 좁아짐을 알 수 있다.
- 시편의 재질에 따른 측정 결과를 보면 동일 온도에서 중심 주파수는 비중이 가장 큰 테프론 시편에서 음향 임피던스가 가장 크게 나왔으며, 대역폭 및 최대 주파수 스펙트럼 진폭은 비중과 음향 임피던스가 가장 작은 폴리에틸렌 시편에서 가장 크게 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 비중 및 음향 임피던스가 작은 재질의 물질이 중심주파수의 저주파수 대역으로의 천이 및 최대 주파수 스펙트럼 진폭의 감소로 인해 초음파 광역 감쇠 값이 증가함을 나타내는 결과이다.
- 제어를 통한 마이크로 버블의 발생 억제와 일정 (8) Chapard, Beiger, Roux, Laugier, 1999, "Ultrasound 온도 유지, 최적의 관심영역 직경 선정 등이 중요함을 알 수 있었다. 실험 및 시뮬레이션 결과 파형의 주기수는 1주기 때가 가장 좋았으며, 온도를 32±0.5°C 이내로 제어할 때 마이크로버블의 발생이 현저하게 감소하였다. 또한 초음파 골밀도 측정시 본 연구에서 제시한 방법들을 적용함으로써 재현성을 크게 향상시켜 정확한 골다공증의 진단이 이루어질 수 있을 것으로 사료된다.
- 이상을 종합하여 보면 BUA 의 변화에 따른 재현성은 분리되는 초음파 신호 파형의 주기수에 따라 영향을 받게 된다. 주기수가 늘어날수록 대체로 재현성이 떨어지며 재현성의 역전 빈도가 자주 나타나는 것을 볼 수 있었다.
- CV 값이 작게 나타날수록 재현성이 우수한 것으로 1주기일 때가 재현성이 가장 우수하며 개인간 재현성의 편차도 가장 작게 나타났다. 주기수가 늘어날수록 대체로 재현성이 떨어지며 개인 간 편차도 커지는 것을 알 수 있었다. 분리 주기를 달리 했을 때 재현성의 변동폭이 개인차를 보이는 것을 알 수 있었다.
- 최대 주파수 스펙트럼 진폭은 온도가 증가함에 따라 전반적으로 증가하였으나, 테프론 시편과 우레탄 46t 두께 시편의 경우에는 감소함을 나타내었다. 이는 테프론 시편의 경우에는 재료 내부의 구조에 의해 초음파 주파수의 변화가 일어난 결과이고, 우레탄 46t 시편의 경우에는 12t 시편에 비해 초음파가 전파하는 물의 거리가 상대적으로 줄어든 것과 재료 내부의 구조가 복합적으로 작용한 결과이다.
후속연구
- 5°C 이내로 제어할 때 마이크로버블의 발생이 현저하게 감소하였다. 또한 초음파 골밀도 측정시 본 연구에서 제시한 방법들을 적용함으로써 재현성을 크게 향상시켜 정확한 골다공증의 진단이 이루어질 수 있을 것으로 사료된다.
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