[논문]초음파 영상용 플라스틱 기반의 팬텀제작 및 특성 분석

이균정; 박동희; 신태민; 서종범

doi:10.9718/jber.2008.29.4.302

문제 정의

이 때 각각의 측정에서 노이즈의 영향을 고려하지 않을 수 있다. 따라 서식 (3)에서와 같이 평균 강도를 측정 하고 이를 비 교함으로써 노이즈의 영 향을 감소시 키 고자 한다. 식 (4)는 감쇠 계 수를 측정 하기 위하여 실행되는 두 실험의 평균 강도를 식 (3)에 따라 구한 후 정리한 식이다 [5, 6].
그러나 부패하기 쉽고 수분의 증발이 일어나는 등, 보관이 어렵고 그기간도매우짧아 반복적으로 사용하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 인체와 유사한 특성을 갖는 플라스틱 기반의 팬텀을 제작하고 그 특성을 분석하여 향후 초음파 영상 연구에 기 반을 마련하고자 한다.
그림 3. 팬텀내에서의 감쇠계수를 측정하기 위한 실험.

제안 방법

5 MHz)를 사용하였다. Pulser & Receiver (PR5073, Panametric-NDT, USA)를 통하여 전해진 신호는 Oscilloscope(WaveRunner 6050, Lecroy, USA)를 통하여 100-250 MHz로 샘플링 되었으며, 각 신호를 256회 취 합하여 평 균값으로 저장하였다. 이는 제 작된 팬텀을 투과하면서 감쇠되는 신호의 noise를 줄여줌으로써 SNR을 높이기 위하여 적용되었다.
감쇠계수는 팬텀이 없는 경우와 팬텀이 있는 경우의 반사 신호 간의 차이로 측정 하였다. 음파 전달 속도 측정 의 경우와는 달리 팬텀을 금속과 접촉시키지 않고 그림 3과 같이 일정 한 거리를 떨어뜨려 놓아측정하였다.
, USA)를 일정한 비율로 섞어 제작한다. 두 재질의 비율에 따라 음파 적 특성이 다양하게 나타날 수 있으며, 본 연구에서는 경화제와 연화제의 비율을 부피 기준으로 각각 9:1, 7:3, 6:4로 하였다. 각각의 섞여진 플라스틱 용액을 비커에 담은 후 stirring hot plate (Dow Coming, USA)를 이용하여 300°C로 30분 이상 가열하였다.
91 로결정된다[8]. 따라서 제작된 팬텀이 초음파영상에 적합한가를 평 가하기 위 하여 초음파 영 상기 기 (Sonoace, Medison, Korea)를통하여 영상을 관측하였으며, 그때 초음파 영상의 SNR이 예상과 유사하게 형성되는지 확인하였다.
5 MHz의 음파변환기가 각각 사용되었다. 또한 사용된 변환기의 정확한 중심주파수를 파악하기 위하여 팬텀 없이 완전 반사체에 가까운 알루미늄에서 얻은 신호의 파워 스펙트럼을 이용하여 파워가 절반이 되는 주파수를 중심 주파수로 결정 하였다.
음파의 속도를 팬텀과 물과의 경계에서의 반사와팬텀과 알루미늄판 간의 경계에서의 반사간의 시간차를 이용하여 팬텀내부에서의 음파의 전달속도를 측정 하였다. 또한 플라스틱과 음향 임피던스 차이 큰 알루미늄판을 경계 면에 부착시킴으로써 , 강한 반사 신호를 얻을 수 있도록 하였으며 이에 따라 감쇠된 음향신호의 SNR 향상을 유도였다 더불어 각각의 경우256회의 신호를 측정하여 SNR을 16배 향상시켜 신호를 측정하였다.
본 실험에서는 감쇠계수를 각각의 주파수별로 측정한 후 측정주파수 성분으로 나누어 주었다. 그 결과가 일정 한 값으로 나타나는 것으로 실제 감쇠가 주파수에 선형적으로 비례하여 증가함을 알 수 있다.
본 연구에서 사용된 감쇠계수 측정방법은 반사파의 평균 펄스 강도를 기준으로 하였다. 그러나 그 외에도 중심주파수의 이동 (shift) 등의 다양한 방법으로 감쇠계수를 측정할 수 있다.
차이로 측정 하였다. 음파 전달 속도 측정 의 경우와는 달리 팬텀을 금속과 접촉시키지 않고 그림 3과 같이 일정 한 거리를 떨어뜨려 놓아측정하였다.
음파의 속도를 측정하기 위한실험 장치 구성세팅. 음파의 속도를 팬텀과 물과의 경계에서의 반사와팬텀과 알루미늄판 간의 경계에서의 반사간의 시간차를 이용하여 팬텀내부에서의 음파의 전달속도를 측정 하였다. 또한 플라스틱과 음향 임피던스 차이 큰 알루미늄판을 경계 면에 부착시킴으로써 , 강한 반사 신호를 얻을 수 있도록 하였으며 이에 따라 감쇠된 음향신호의 SNR 향상을 유도였다 더불어 각각의 경우256회의 신호를 측정하여 SNR을 16배 향상시켜 신호를 측정하였다.
저 장된 신호는 Matlab(Mathwork, USA)에서 정 확한 반사체의 위치를 측정하기 위하여, 신호 대역에 따라 필터링 되었다. 이 때 필터는 주파수 영 역 기 반의 필터로 그 대 역폭(bandwidth)은 중심주파수 대비 100%이상을 넘지 않도록 하였다.
이 때 필터는 주파수 영 역 기 반의 필터로 그 대 역폭(bandwidth)은 중심주파수 대비 100%이상을 넘지 않도록 하였다. 필터링된 신호는 다시 demodulation을 통하여 baseband 신호로 변환되었으며 그 변환된 신호에서 가장 큰 진폭이 나타나는 시간을 기준으로 반사면의 위치를 결정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 팬텀은 약 6개월간 일반실험실 환경에서 보관되고 있다. 현재까지 초음파 영상기기를 통한 관측상에서는 speckle pattern의 분포 변화가 관찰되지 않으며, 그 크기 및 탄성도 또한 일정한 상태로 유지되고 있다.
주파수에서의 측정치가 요구된다. 본 연구에서는 초음파 영상 장비에 주로 사용되는 3.5 MHz, 5 MHz, 7.5 MHz의 음파변환기가 각각 사용되었다. 또한 사용된 변환기의 정확한 중심주파수를 파악하기 위하여 팬텀 없이 완전 반사체에 가까운 알루미늄에서 얻은 신호의 파워 스펙트럼을 이용하여 파워가 절반이 되는 주파수를 중심 주파수로 결정 하였다.
음파 변환기는 Panametric-NDT(USA)의 초점 길이 10cm인 C₃₈2(3.5 MHz), C₃₀8(5 MHz), V320(7.5 MHz)를 사용하였다. Pulser & Receiver (PR5073, Panametric-NDT, USA)를 통하여 전해진 신호는 Oscilloscope(WaveRunner 6050, Lecroy, USA)를 통하여 100-250 MHz로 샘플링 되었으며, 각 신호를 256회 취 합하여 평 균값으로 저장하였다.
그림 1 은 제작된 세 가지 종류의 팬텀을 보여준다. 팬텀의 크기는 가로와 너비의 크기는 약 50 mm 와 50 mm이며, 세로 크기는 70mm이상으로 제작되 었다. 제작된 팬텀은 반투명형 태이며 경화제 와 연화제의 비 율에 따라 그 탄성 도가 서 로 다르다.

성능/효과

이는 실제 측정된 신호가 일반적으로 비대칭을 이룸에 따라 단순히 스펙트럼의 최고점을 기반으로 중심주파수로 가정할 경우 발생할 오류를 방지하기 위한 것이다. 그 결과 3.5 MHz 변환기를 사용하는 경우 중심주파수는 3.6MHz 이며, 5 MHz 와 7.5 MH"] 경우에도 각각 중심주파수가 5.2 MHz 와 7.6 MHz로 측정치가 조금 높은 것으로 나타난다.
성분으로 나누어 주었다. 그 결과가 일정 한 값으로 나타나는 것으로 실제 감쇠가 주파수에 선형적으로 비례하여 증가함을 알 수 있다. 따라서 제작된 팬텀들은 인체 조직에서와 유사한 감쇠 계수의 주파수 특성을 보인다고 할 수 있다.
본 연구에서 알 수 있듯이 인체와 유사한 감쇠 계수를 갖도록 하기 위해서는 플라스틱 용액을 만들 때 연화제와 경화제를 대략 1:1 의 비율로 섞어 만들어야 함을 유추할 수 있다. 그러나실제 1:1로 제작한 경우 플라스틱의 팬텀이 쉽게 파괴되는 단점이 있다.
본 연구에서 제작된 플라스틱 팬텀의 경우 경화제와 연화제의 비율에 거의 무관하게 음파의 전달속도는 유지되었다. 또한 일반적으로 초음파 영상에서 사용되는 주파수에 대하여 서도 독립적 인 것으로 나타난다.

후속연구

따라서 그림 4에서 보이듯 중심주파수를 기준으로 비대칭적 인 신호에서는, 신호의 강도를 기준으로 감쇠계수를 측정하는 것이 보다 우수하다고 여 겨진다. 또한 초음파를 통한 측정 에서의 값은 일반적으로 방법에 따라, 혹은실험 조건에 따라 상대적인 편차가 크다는 것이 보고된 바[8], 향후 다양한 방법을 통한 측정치 간의 비교 연구가 바람직 한 것으로 여겨진다.
인하여 실제 길이보다 상대적으로 길게 관측된다. 이는 향후 탄성도 측정 영상에 사용할 경우 주의해야 할 점이다.

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