[논문]초음파 의료영상에서 컴파운딩 기법을 이용한 초음파의 평균 음속도의 측정과 음속도 영상의 구현

정목근; 권성재; 최민주

doi:10.9718/jber.2009.30.3.233

초음파 의료영상에서 컴파운딩 기법을 이용한 초음파의 평균 음속도의 측정과 음속도 영상의 구현
Measurement of the Average Speed of Ultrasound and Implementation of Its Imaging Using Compounding Technique in Medical Ultrasound Imaging 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.30 no.3, 2009년, pp.233 - 240

정목근 (대진대학교 전자공학과) , 권성재 (대진대학교 통신공학과) , 최민주 (제주대학교 의공학연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Using a spatial compound imaging technique in a medical ultrasound imaging system, the average speed of sound in a medium of interest is measured, and imaging of its distribution is implemented. When the brightness reaches the highest level in an ultrasonic image obtained as the speed of sound used in focusing is varied, it turns out that the focusing has been accomplished satisfactorily and that the speed of sound which has been adopted becomes the sought-after average speed of sound. Because spatial compound imaging provides many different views of the same object, the adverse effect of erroneous speed-of-sound estimation tends to be more severe in compound imaging than in plain B-mode imaging. Thus, in compound imaging, the average speed of sound even in the case of speckled images can be accurately estimated by observing the brightness change due to different speeds of sound employed. Using this new method that offers spatial diversity, we can construct an image of the speed of sound distribution in a phantom embedded with a 10-mm diameter plastic cylinder whose speed of sound is different from that of the background. The speed of sound in the cylinder is found to be different from that of the surrounding medium.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 측정오차를 줄이 기 위하여, 음속도의 영향을 더 많이 받는 컴파운드 영상에서 음속도에 대한 영상의 밝기 변화를 추적하여 매질의 평균 음속도를 계산하였다. 제안한 방법은 기존의 초음파 영상시스템에서 구조적인 변경 없이, 얻어진 영상 데이터만이 용하여 집속지 연시 간곡선을 추정함으로써 매질의 평균 음속 도를 구할 수 있다.
그러나 정확한 집속을 위해서는 매질의 속도를 알아야 하는데 인체의 경우는 매질의 속도가 사람마다, 부위마다 각각 달리 나타난다. 본 논문은 집속 지 연을 조절하여 영 상의 밝기가 최대로 되는 값을 찾아 매질의 평균 음속도를 계산하였다. 불균일 반사체 에서 측정 오차를 줄이기 위히여 컴 파운드 영상에서윈도우 내의 평균 밝기를 이용하였으며, 윈도우의 크기를 줄여도 평균 밝기를 이용하는 경우 음속도 측정에 오차가 커지지 않음을 보였다.
따라서 신호의 집속 시간이 달라지므로 영상점이 원래 있는 위치에서 깊이 방향으로 이동하여 있는 것처럼 나타난다. 오차를 가지는 집속지연 시간 때문에 생기는 영상점의 이동을 살펴보자.
이제 정확한 음속도를 알지 못할 때 영 상에 나타나는 효과를 살펴보자. 주어진 x 와 z 에 대하여 음속도가달라지면 집속지 연 시간의 변화는

가설 설정

5π이다. 매질의 평균 음속도는 1550m/s 로 가정하였다.

제안 방법

구하였다. 가정한조건은38mm 크기의 192소자의 선형 어레이를 이용하여 64채널로 20mm 깊이에 집속시킬 때 음속 도에 따른 주엽의 크기를 비 교하였다. 사용한 초음파 신호는
음속도가 다른 25장의 B-모드 영상에 대하여 음속도에 따른 평균 밝기를 모든 영상 점에 대하여 구하였다. 계산오차를 줄이기 위해 4x4픽셀 영역에서의 영상점의 밝기의 평균을 이용하여 음속도를 추정하였다. 최종적으로 얻어진 음속도 영상은 매질의 음속도 특성과 측정오차 등에 의하여 노이즈를 가지므로 5x5픽셀의 미디언(median) 필터로 임펄스형 노이즈를 제거하고 5x5픽셀 빅스카(boxcar) 필터로 음속도 영 상을 부드럽 게 처리 하였다.
결국 스페클 영상에서는 제안한 방법의 성능이 저하됨을 알 수 있다. 따라서 스페클 영상에서도 정확히 음속 도를 측정하기 위하여, 컴파운드 영상을 이용하여 음속도를 측정하였다. 컴파운딩 영상에서는 초음파 음장을 각각 다른 각도로 조향 (steering)시켜서 각각의 영상을 얻어 서로 중첩시킨다[13-15].
따라서 윈도우의 크기를 줄이고 모든 영상점에서 음속도를 계산하면 매질에 음속도가 다른 부분들이 섞여 있을 경우 음속도 차이로 영역을 구별할 수 있게 된다, 스페클 영상에서 음속도 영상을 얻기 위하여 직경 10mm의 플라스틱 실린더가 들어있는 팬텀을 만들었다. 배경 매질은 돼지고기(추정 음속도 미상)를 이용했고 직경 lOmni의 구멍을 뚫고 1450m/s의 음속도를 가지는 실린더를 삽입한 뒤 틈새를 초음파 겔(gel)로 메웠다.
불균일 반사체에 대해서도 실험을 실시하였다. 영상 팬텀은 CIRS사(Norfork, VA, USA)의 초음파 팬텀을 사용하였고 배경의 평균 음속도가 1540m/s이다.
송신 초점 깊이(20mm)에 0.2mm 굵기의 선을 물속에 고정시키고 음속도를 1400m/s부터 1540m/s까지 바꾸어 가면서 선반 사체 영상의 최대 밝기 변화를 추정하였다. 각각 B-모드 영상과 컴파운드 영상에서 얻은음속도에 따른 밝기의 데이터(점선)는 측정 오차를 가지고 있으므로 2차 함수로 곡선근사(실선)를 하여 그림 6에 도시하였다.
알고리 듬의 유용성 을 검 증하기 위하여 초음파 의료 영 상진단기 (Accuvix, Medison, Seoul) 장비를 이용하여 7.5MHz, 192 소자의 선형변환자로 B-모드 영상과 주사선이 조향된 영상을 얻었다. 컴파운드 영상은-14°, -7°, 0°, 7°, 14°의 5개 각도로 조향된 영상 데이터를 얻어서 PC에서 신호처리를하여 중첩시켰다.
그림 11. 영상의 평균 밝기를 이용한경우에 대하여 B-모드 영상(위)과 컴파운드 영상(아래)에서 윈도우의 크기를 줄여가면서 측정한 평균 음속도와 표준편차(수직선).
최종적으로 얻어진 음속도 영상은 매질의 음속도 특성과 측정오차 등에 의하여 노이즈를 가지므로 5x5픽셀의 미디언(median) 필터로 임펄스형 노이즈를 제거하고 5x5픽셀 빅스카(boxcar) 필터로 음속도 영 상을 부드럽 게 처리 하였다. 영상처리 필터는 알고리 듬의검토를 위하여 최소한으로 적용하였으며 윈도우의 크기는 해상도를 저하시키지 않는 범위 에서 실험적으로 결정하였다.
팬텀 음속도의 참값인 1540m/s을 적용했을 때 해상도가 가장 좋게 나타난다. 음속도 계산은 1450nWs부터 1600m/s까지 바꾸어가며 얻은 음속도 영상에서 그림 7의 영상에서 표시한 3곳의 흰색 윈도우 위치의 영상의 밝기의 최대치를 이용하여 추정하였다. B-모드에서의 밝기 그래프가 그림 8이며 평균 음속도는 1519m/s, 표준편차는 18.
음속도 측정의 오차를 비교하기 위하여 윈도우를 줄여가면서 측정하였다. 그림 10과 11은 윈도우의 크기를줄여가면서 측정한 평균 음속도와 표준편차를 보여준다.
최종적으로 25장의 컴파운드 영상을 얻었다. 음속도가 다른 25장의 B-모드 영상에 대하여 음속도에 따른 평균 밝기를 모든 영상 점에 대하여 구하였다. 계산오차를 줄이기 위해 4x4픽셀 영역에서의 영상점의 밝기의 평균을 이용하여 음속도를 추정하였다.
제안한 방법을 윈도우 크기를 줄여서 모든 영상점에 적용하여 음속 도의 분포 영상도 구현하였다. 제안한 음속도 영상은 음속 도의 절대 값이 아닌, 음속도 분포의 차이만 보여 주지만 음속도가 다른 조직들을 구별할 수 있게 된다.
제안한 알고리 듬을 검증하기 위하여 정확한 음속도에 대하여 속도의 오차가 있어 집속오차가 있는 경우 왕복음장특성을 시뮬레이션으로 구하였다. 가정한조건은38mm 크기의 192소자의 선형 어레이를 이용하여 64채널로 20mm 깊이에 집속시킬 때 음속 도에 따른 주엽의 크기를 비 교하였다.
분포 영상도 구현하였다. 제안한 음속도 영상은 음속 도의 절대 값이 아닌, 음속도 분포의 차이만 보여 주지만 음속도가 다른 조직들을 구별할 수 있게 된다. 컴파운드 영상 데이터는 실시간으로 얻을 수 있으므로 제안한 방법을 시스템에서 구현할 경우 실시 간으로 음속도 영상을 구현할 수 있다.
컴파운드 영상은-14°, -7°, 0°, 7°, 14°의 5개 각도로 조향된 영상 데이터를 얻어서 PC에서 신호처리를하여 중첩시켰다. 첫 번째 실험으로 물속에 반사체로 나일론 선을 넣어서 상온에서의 물의 음속 도를 측정하였다.
계산오차를 줄이기 위해 4x4픽셀 영역에서의 영상점의 밝기의 평균을 이용하여 음속도를 추정하였다. 최종적으로 얻어진 음속도 영상은 매질의 음속도 특성과 측정오차 등에 의하여 노이즈를 가지므로 5x5픽셀의 미디언(median) 필터로 임펄스형 노이즈를 제거하고 5x5픽셀 빅스카(boxcar) 필터로 음속도 영 상을 부드럽 게 처리 하였다. 영상처리 필터는 알고리 듬의검토를 위하여 최소한으로 적용하였으며 윈도우의 크기는 해상도를 저하시키지 않는 범위 에서 실험적으로 결정하였다.
점선은 기존의 B-모드 영상에서의 크기 변화이며, 실선은 컴파운드 영상에서 구한 결과이다. 컴파운드 영상은 7°간격으로 -14°, -7°, 0°, 7°, 14°의 5개의 각도에서 주사선을중첩시켰다. 컴파운드 영상에서 50m/s의 오차에서 신호의 크기가50%정도 줄어드는데, 이는 B-모드 영상에서의 감소율의 2배 정도가 되어 컴파운드 영상에서 음속도 오차에 의한 밝기 저하가 더 크게 나타남을 알 수 있다.
5MHz, 192 소자의 선형변환자로 B-모드 영상과 주사선이 조향된 영상을 얻었다. 컴파운드 영상은-14°, -7°, 0°, 7°, 14°의 5개 각도로 조향된 영상 데이터를 얻어서 PC에서 신호처리를하여 중첩시켰다. 첫 번째 실험으로 물속에 반사체로 나일론 선을 넣어서 상온에서의 물의 음속 도를 측정하였다.

대상 데이터

실험은 1400m/s~1640m/s의 범위에서 lOm/s 간격으로 음속 도를 가변하면서 7° 간격으로 조향된 5장의 영상을 얻고, 이를 중첩하여 최종적으로 25장의 컴파운드 영상을 얻었다. 음속도가 다른 25장의 B-모드 영상에 대하여 음속도에 따른 평균 밝기를 모든 영상 점에 대하여 구하였다.
반사체에 대해서도 실험을 실시하였다. 영상 팬텀은 CIRS사(Norfork, VA, USA)의 초음파 팬텀을 사용하였고 배경의 평균 음속도가 1540m/s이다. 그림 7은 매질의 음속도를 왼쪽 그림부터 1450m/s, 1500m/s, 1540m/s, 1600m/s로 가정하여 얻은 B-모드 영상(위)과 컴파운드 영상(아래)을 보여준다.
그림 7은 매질의 음속도를 왼쪽 그림부터 1450m/s, 1500m/s, 1540m/s, 1600m/s로 가정하여 얻은 B-모드 영상(위)과 컴파운드 영상(아래)을 보여준다. 영상의 검은 부분은 낭종(cyst)이며 직경은 3mm이다. 팬텀 음속도의 참값인 1540m/s을 적용했을 때 해상도가 가장 좋게 나타난다.

데이터처리

그림 10. 영상의 최대 밝기를 이용한경우에 대하여 B-모드 영상(위)과 컴파운드 영상(아래)에서 윈도우의 크기를 줄여가면서 측정한 평균 음속 도와 표준편차(수직선).

성능/효과

그림 io과 n에서 윈도우의 크기를 줄여도 평균 밝기를 이용하여 음속도를 주정할 수 있음을 보였다. 즉정된 음속도는 변환자에서 영상점까지 초음파가지나가는 궤적의 평균음속도이지만 궤적 위에 음속도가 다른 매질이 분포하면 측정값에 영향을 주게 된다.
제안한 방법은 기존의 초음파 영상시스템에서 구조적인 변경 없이, 얻어진 영상 데이터만이 용하여 집속지 연시 간곡선을 추정함으로써 매질의 평균 음속 도를 구할 수 있다. 또한 모든 영 상점 에서 의 평균 음속도를 구하여 음속도 영상을 얻음으로써, 음속도 분포가 다른 매질을 구별할 수 있음을 보였다.
또한 컴파운드 영상의 실험치의 곡률이 더 크게 나타나서 컴파운드 영상으로 음속도를 추정하는 것이 더 좋은 결과를 가져온다. 그러나불균일 반사체의 경우 영상의 최대 밝기가 집속 성능과 항상 비례하지는 않으므로 최대치 영상점의 위치가 이동될 수 있어서 윈도우의 크기를 충분히 크게 잡아야 하며, 스페클 노이즈의 특성 때문에 음속도에 따른 밝기 변화 그래프가 2차 함수로 근사가 되지 않는 경우가 발생할 수 있다.
본 논문은 집속 지 연을 조절하여 영 상의 밝기가 최대로 되는 값을 찾아 매질의 평균 음속도를 계산하였다. 불균일 반사체 에서 측정 오차를 줄이기 위히여 컴 파운드 영상에서윈도우 내의 평균 밝기를 이용하였으며, 윈도우의 크기를 줄여도 평균 밝기를 이용하는 경우 음속도 측정에 오차가 커지지 않음을 보였다.
매질의 평균 음속도를 계산하였다. 제안한 방법은 기존의 초음파 영상시스템에서 구조적인 변경 없이, 얻어진 영상 데이터만이 용하여 집속지 연시 간곡선을 추정함으로써 매질의 평균 음속 도를 구할 수 있다. 또한 모든 영 상점 에서 의 평균 음속도를 구하여 음속도 영상을 얻음으로써, 음속도 분포가 다른 매질을 구별할 수 있음을 보였다.

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B. K. Seo, Y. W. Oh, H. R. Kim, H. W. Kim, C. H. Kang, N. J. Lee, J. H. Kim, B. J. Park, K. R. Cho, J. Y. Lee, K. Y. Lee, and J. W. Bae, "Sonographic evaluation of breast nodules: Comparison of conventional, real-time compound, and pulse-inversion harmonic images," Korean J. Radiol, vol. 3, no. 1, pp. 38-44, Mar. 2002

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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