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문제 정의
- 본 연구에서는 캐비테이션 영상을 이용하여 기포군의 형태 및 크기, 기포의 크기를 관찰하기 위하여 MATLAB 8.0 프로그램을 이용하여 영상처리 하였다. 디지털 카메라로 획득된 영상을 이진화 영상으로 변환한 후, 픽셀의 크기와 계산된 픽셀의 수를 이용하여 캐비테이션 발생량 및 단위 기포의 크기를 측정하였다.
- 이에 본 연구에서는 HIFU 조사 시 발생되는 캐비테이션 발생량 확인을 위하여, 발생되는 기포군의 영상을 분석하였다. 이를 통하여 조사 강도에 따른 기포군의 형태변화와, 발생되는 미세기포의 크기, 기포 발생량 등을 측정하였으며, 상관관계를 고찰하였다.
- 발생되는 기포의 크기는 조사되는 초음파의 중심주파수와 밀접한 관계가 있다. 이에 본 연구에서는 구동 주파수와 인가강도에 따른 발생기포의 크기를 측정하였다. 구동 주파수별 100개의 미세기포를 관찰하였으며, Fig.
제안 방법
- 이진화 계수를 0.1에서 0.2 범위에서 0.01 간격으로 설정하여 기포군의 이진화 영상을 관찰하였으며, 유효기포 영상의 처리 정도와 초점심도의 영향을 고려하여 본 연구에서는 이진화 계수를 0.15로 결정하였다.
- 디지털 카메라의 설정 및 제어는 Nikon Camera Control Pro 2 프로그램을 이용하였으며, 촬영된 영상을 PC에 저장하였다. 단위 픽셀의 크기를 측정한 후, 2진화된 영상을 이용하여 형성된 기포군의 크기와 단일 기포의 크기를 측정하였다. 초음파 출력은 33220A(Agilent Technologies, USA) 모델의 함수발생기와 AG1016(T&C Power Conversion Inc.
- 0 프로그램을 이용하여 영상처리 하였다. 디지털 카메라로 획득된 영상을 이진화 영상으로 변환한 후, 픽셀의 크기와 계산된 픽셀의 수를 이용하여 캐비테이션 발생량 및 단위 기포의 크기를 측정하였다. 영상의 처리를 위한 이진화에 있어 변환의 기준이 되는 이진화 계수의 설정은 매우 중요하다.
- 이에 본 연구에서는 측정된 원영상에 대하여 이진화 계수를 변화시켜 이진화 영상을 생성하고 이를 원영상과 비교함으로써 이진화 계수를 설정하였다. 또한, 각각의 영상에 대한 음영상(negative image)을 비교하여 유효 데이터의 소실을 최소화 하였다. 이진화 계수 0.
- 측정된 영상을 이용하여 조사 강도와 구동 주파수에 따른 기포군의 형태 변화, 크기 변화를 비교하였으며, 단일 기포의 크기 변화와 구동 주파에 따른 기포 크기의 분포를 관찰하였다. 또한, 기포군에서 형성되는 기포의 수를 측정하여 변화를 확인하였다.
- 13은 구동 주파수와 조사 강도에 따른 발생 기포수의 변화를 보여주고 있다. 본 연구에서 측정된 기포의 평균 크기와 기포군의 크기를 이용하여 계산하였다. 측정결과 500 KHz 보다 1.
- 본 연구에서는 곡면형 단일 초음파 변환기의 중심 주파수와 강도 변화에 따른 기포군의 형태 및 크기, 단일 기포의 크기, 기포 크기의 분포, 발생 기포수를 측정하였다. MATLAB을 이용하여 0.
- 본 연구에서는 디지털카메라 D90(Nikon, Japan)과 75PAR30/FL 모델의 75 W 할로겐 광원(General Electric, USA) 2개를 이용하여 기포군의 형태와 분포량을 관찰 하였다. 디지털 카메라의 최대 분해능은 1,230만 화소였으며, 획득된 영상의 크기는 JPEG(8 bit)의 4,288 × 2,048로 설정하였다.
- 본 연구에서는 초음파 조사 강도에 따른 기포 발생량을 확인하기 위하여 HIFU용 집속형(concave type) 초음파 변환기를 사용하였다. SonicConcept 사의 H-101(중심 주파수 1.
- 이에 본 연구에서는 HIFU 조사 시 발생되는 캐비테이션 발생량 확인을 위하여, 발생되는 기포군의 영상을 분석하였다. 이를 통하여 조사 강도에 따른 기포군의 형태변화와, 발생되는 미세기포의 크기, 기포 발생량 등에 측정하였으며, 상관관계를 고찰하였다. 500 KHz와 1.
- 이에 본 연구에서는 HIFU 조사 시 발생되는 캐비테이션 발생량 확인을 위하여, 발생되는 기포군의 영상을 분석하였다. 이를 통하여 조사 강도에 따른 기포군의 형태변화와, 발생되는 미세기포의 크기, 기포 발생량 등을 측정하였으며, 상관관계를 고찰하였다.
- 이러한 계수의 설정은 데이터 소실에 대한 고려, 영상 잡음으로 인한 오차에 대한 고려, 초점 심도(depth of focus) 및 피사체 심도(depth of field)에 대한 고려가 요구된다. 이에 본 연구에서는 측정된 원영상에 대하여 이진화 계수를 변화시켜 이진화 영상을 생성하고 이를 원영상과 비교함으로써 이진화 계수를 설정하였다. 또한, 각각의 영상에 대한 음영상(negative image)을 비교하여 유효 데이터의 소실을 최소화 하였다.
- 3은 기포 영상 측정을 위한 실험 장치의 블록도와 사진을 보여주고 있다. 측정된 영상을 이용하여 조사 강도와 구동 주파수에 따른 기포군의 형태 변화, 크기 변화를 비교하였으며, 단일 기포의 크기 변화와 구동 주파에 따른 기포 크기의 분포를 관찰하였다. 또한, 기포군에서 형성되는 기포의 수를 측정하여 변화를 확인하였다.
- 1 MHz HIFU용 집속형 초음파 변환기를 사용하여 캐비테이션을 발생시켰으며, 디지털카메라를 이용하여 발생되는 기포군의 영상을 획득하였다. 측정된 영상의 픽셀 분해능은 가로, 세로 25 um, 단위 면적은 625 um2로 계산되었으며, MATLAB을 이용하여 2진화 영상으로 변환하였다. 조사강도에 따른 기포군의 크기는 500 KHz와 1.
대상 데이터
- 디지털 카메라의 최대 분해능은 1,230만 화소였으며, 획득된 영상의 크기는 JPEG(8 bit)의 4,288 × 2,048로 설정하였다. 18-55 mm VR 렌즈를 사용하였으며, 조리개 설정은 F4, 셔터 스피드는 1/4,000초, ISO 감도는 3,200으로 설정하였으며, 초당 4 프레임의 속도로 이미지를 획득하였다. 디지털 카메라의 설정 및 제어는 Nikon Camera Control Pro 2 프로그램을 이용하였으며, 촬영된 영상을 PC에 저장하였다.
- 이를 통하여 조사 강도에 따른 기포군의 형태변화와, 발생되는 미세기포의 크기, 기포 발생량 등에 측정하였으며, 상관관계를 고찰하였다. 500 KHz와 1.1 MHz HIFU용 집속형 초음파 변환기를 사용하여 캐비테이션을 발생시켰으며, 디지털카메라를 이용하여 발생되는 기포군의 영상을 획득하였다. 측정된 영상의 픽셀 분해능은 가로, 세로 25 um, 단위 면적은 625 um2로 계산되었으며, MATLAB을 이용하여 2진화 영상으로 변환하였다.
- 본 연구에서는 초음파 조사 강도에 따른 기포 발생량을 확인하기 위하여 HIFU용 집속형(concave type) 초음파 변환기를 사용하였다. SonicConcept 사의 H-101(중심 주파수 1.1 MHz)과 H-104(중심 주파수 0.5 MHz) 모델을 사용하였다. 두 제품 모두 지름은 81.
- 이에 본 연구에서는 구동 주파수와 인가강도에 따른 발생기포의 크기를 측정하였다. 구동 주파수별 100개의 미세기포를 관찰하였으며, Fig. 9와 10은 조사 조건에 따른 발생 기포의 지름 변화를 측정한 결과를 보여주고 있다. 500 KHz에서 발생되는 기포의 크기는 최소 49.
- 디지털 카메라의 최대 분해능은 1,230만 화소였으며, 획득된 영상의 크기는 JPEG(8 bit)의 4,288 × 2,048로 설정하였다.
- 초음파 출력은 33220A(Agilent Technologies, USA) 모델의 함수발생기와 AG1016(T&C Power Conversion Inc., USA)모델의 RF 증폭기를 사용하였으며, 3.5 VP-P 버스트파를 사용하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 곡면형 단일 초음파 변환기의 중심 주파수와 강도 변화에 따른 기포군의 형태 및 크기, 단일 기포의 크기, 기포 크기의 분포, 발생 기포수를 측정하였다. MATLAB을 이용하여 0.15 계수로 2진화 영상을 만들었으며, 측정된 영상의 픽셀 분해능을 측정하여 계산하였다. Fig.
성능/효과
- 1.1 MHz 조사조건에서 50∼60 um 크기의 기포가 많이 관찰되는 것은 20 W 조사 조건에서의 미세기포 크기가 매우 작게 측정되었기 때문으로 사료되었는데, 이렇게 평균 크기보다 매우 작게 측정된 결과는 실제로 발생되는 기포의 크기의 변화가 아니라, 기포 영상 획득과정에서 광원 및 기타 장비의 위치, 매질 내 대류 정도, 디지털 카메라의 심도, 2진화 영상화에 따른 오차에 의한 결과로 판단되었다.
- 12 um로 계산되었다. 1.1 MHz에서 발생되는 기포의 크기는 최소 32.79 um, 최대 104.78 um, 평균 63.38 um, 표준편차는 16.62 um로 측정되었다. 일반적으로 캐비테이션에 의한 미세기포의 크기는 조사되는 초음파 주파수와 밀접한 관계를 갖는데, 이는 음향에너지에 의한 매질의 변위 시간이 조사되는 음향에너지의 파장과 관계가 있기 때문이다.
- 12는 구동 주파수에 따른 발생기포의 크기 분포를 보여주고 있다. 500 KHz 조사 조건에서는 평균보다 큰 기포가 많은 것으로 확인되었는데, 이는 55 W 이상에서 천이형 캐비테이션이 많이 발생하여 주변에 영향을 미쳐 미세기포가 조금 크게 형성된 결과로 판단되었다. 1.
- 9와 10은 조사 조건에 따른 발생 기포의 지름 변화를 측정한 결과를 보여주고 있다. 500 KHz에서 발생되는 기포의 크기는 최소 49.18 um, 최대 132.55 um, 평균 98.18 um로 측정되었으며, 표준편차는 17.12 um로 계산되었다. 1.
- 8은 곡면형 단일 트랜스듀서를 이용하여 조사하였을 때 발생되는 기포군의 크기의 변화를 보여주고 있다. 500 KHz와 1.1 MHz 모두에서 조사강도와 기포군의 면적이 정비례하는 결과를 보였으며, 결정계수의 값은 0.7031과 0.811로 비교적 높은 값을 보였다. 특정 구간에서 약간의 편차가 발생하였는데, 이러한 현상은 기포군이 방사하는 형태가 동일한 밀도를 가지고 진행되는 것이 아니라, 매질(액체)의 대류와 초음파 방사력에 의하여 비선형적 운동 패턴에 의한 결과값으로 판단되었다.
- 특정 구간에서 발생한 편차는 캐비테이션 발생 환경에 의한 오차와 영상획득 과정에서의 광학적 측정오차로 판단되었는데, 차후 이러한 부분에 대한 보완을 통하여 보다 정확한 상관관계를 유도할 수 있을 것으로 사료된다. 구동 주파수에 따라 발생되는 100개의 미세기포를 관찰한 결과, 500 KHz에서 발생되는 기포의 크기는 최소 49.18 um, 최대 132.55 um, 평균 98.18 um로 측정되었으며, 표준편차는 17.12 um로 계산되었다. 1.
- 또한, 영상을 획득하는 과정에서 광원의 부착 위치에 따라 조사 광량이 불균등해 발생할 수도 있을 것으로 판단되었으며, 아크릴 재질의 수조 외부에서 영상을 획득함에 따른 광학적 오차라고 판단되었다. 차후 이러한 부분에 대한 보완을 통하여 보다 정확한 상관관계를 유도할 수 있을 것으로 판단된다.
- 62 um로 측정되었다. 미세기포 크기는 비교적 넓은 분포를 보였는데, 조사 주파수의 차이 또는 조사시간에 따른 결과가 아니라, 조사 강도가 증가함에 따른 매질(탈기수)의 대류에 의하여 미세기포간의 결합에 의하여 발생되는 현상으로 판단되었다. 본 연구에서 측정된 미세기포의 크기와 기포군의 크기를 이용하여 구동주파수와 조가강도에 따른 발생 기포의 수를 측정해본 결과, 조사강도에 따라 발생되는 기포의 양이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 1.
- 1 MHz 곡면형 트랜스듀서를 이용하여 버스트파를 65 W 강도로 조사하였을 때 발생된 기포군의 영상을 보여주고 있다. 본 실험에서 사용된 카메라의 픽셀 분해능은 가로, 세로 모두 25 um, 단위 면적은 625 um2으로 측정되었다.
- 미세기포 크기는 비교적 넓은 분포를 보였는데, 조사 주파수의 차이 또는 조사시간에 따른 결과가 아니라, 조사 강도가 증가함에 따른 매질(탈기수)의 대류에 의하여 미세기포간의 결합에 의하여 발생되는 현상으로 판단되었다. 본 연구에서 측정된 미세기포의 크기와 기포군의 크기를 이용하여 구동주파수와 조가강도에 따른 발생 기포의 수를 측정해본 결과, 조사강도에 따라 발생되는 기포의 양이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 1.1 MHz 에서 보다 500 KHz에서 보다 선형적으로 증가하는 것이 관찰되었다. 이러한 선형성 및 조사 주파수와 조사 강도에 따른 변화는 차후 다양한 영상화 기법을 이용한 추가적인 평가를 통하여 캐비테이션 발생의 정량적 평가 방법으로 활용 가능할 것으로 판단된다.
- 또한, 각각의 영상에 대한 음영상(negative image)을 비교하여 유효 데이터의 소실을 최소화 하였다. 이진화 계수 0.1 이하의 영상에서는 수조 후면 및 변환기 지그 등의 영향이 제거되지 못하였으며, 이진화 계수 0.2 이상의 영상에서는 유효 기포 영상이 과다하게 제거되는 것으로 관찰되었다. 이진화 계수를 0.
- 5 배 크게 측정되었다. 조사 강도가 증가함에 따라 기포의 크기가 증가하는 추세를 보였는데, 이는 조사 주파수의 차이 또는 조사시간에 따른 결과가 아니라, 조사 강도가 증가함에 따른 매질(탈기수)의 대류에 의하여 미세기포간의 결합에 의하여 발생되는 현상으로 판단되었다.
- 측정된 영상의 픽셀 분해능은 가로, 세로 25 um, 단위 면적은 625 um2로 계산되었으며, MATLAB을 이용하여 2진화 영상으로 변환하였다. 조사강도에 따른 기포군의 크기는 500 KHz와 1.1 MHz 모두에서 정비례하는 결과를 보였으며, 결정계수의 값은 0.7031과 0.811로 비교적 높은 값을 보였다. 특정 구간에서 발생한 편차는 캐비테이션 발생 환경에 의한 오차와 영상획득 과정에서의 광학적 측정오차로 판단되었는데, 차후 이러한 부분에 대한 보완을 통하여 보다 정확한 상관관계를 유도할 수 있을 것으로 사료된다.
- 7은 미세기포라고 판단되는 부분을 관심영역으로 설정하여 크기를 측정하는 모습을 보여주고 있다. 측정결과 30 W 조사 시 500 KHz에서는 기포의 지름이 119.95 um로 측정되었으며, 동일 조사 조건의 1.1 MHz에서는 기포의 지름이 62.83 um로 측정되었다.
후속연구
- 1 MHz에서 발생되는 기포의 수가 많은 것으로 관찰되었는데, 이는 빠른 진동에 의하여 기포의 발생이 더욱 용이하기 때문으로 판단되었다. 기포의 크기 및 기포군의 면적은 작지만, 다량의 기포를 발생시킬 수 있어 이를 이용한 활용이 가능할 것으로 판단되었다. 500 KHz에서는 조사강도가 증가함에 따라 발생되는 기포의 수가 선형적으로 증가하는 것으로 관찰되었다.
- 이러한 선형성 및 조사 주파수와 조사 강도에 따른 변화는 차후 다양한 영상화 기법을 이용한 추가적인 평가를 통하여 캐비테이션 발생의 정량적 평가 방법으로 활용 가능할 것으로 판단된다. 또한, 초음파 조사조건에 따른 캐비테이션 발생량의 상관관계는 고강도 초음파 시술 시 조사 조건에 따른 캐비테이션 발생량을 예측이 가능하게 하여 미세기포에 의한 초음파 가열 촉매 특성을 활용하는데 기초가 될 것으로 판단된다.
- 1 MHz 에서 보다 500 KHz에서 보다 선형적으로 증가하는 것이 관찰되었다. 이러한 선형성 및 조사 주파수와 조사 강도에 따른 변화는 차후 다양한 영상화 기법을 이용한 추가적인 평가를 통하여 캐비테이션 발생의 정량적 평가 방법으로 활용 가능할 것으로 판단된다. 또한, 초음파 조사조건에 따른 캐비테이션 발생량의 상관관계는 고강도 초음파 시술 시 조사 조건에 따른 캐비테이션 발생량을 예측이 가능하게 하여 미세기포에 의한 초음파 가열 촉매 특성을 활용하는데 기초가 될 것으로 판단된다.
- 또한, 영상을 획득하는 과정에서 광원의 부착 위치에 따라 조사 광량이 불균등해 발생할 수도 있을 것으로 판단되었으며, 아크릴 재질의 수조 외부에서 영상을 획득함에 따른 광학적 오차라고 판단되었다. 차후 이러한 부분에 대한 보완을 통하여 보다 정확한 상관관계를 유도할 수 있을 것으로 판단된다.
- 811로 비교적 높은 값을 보였다. 특정 구간에서 발생한 편차는 캐비테이션 발생 환경에 의한 오차와 영상획득 과정에서의 광학적 측정오차로 판단되었는데, 차후 이러한 부분에 대한 보완을 통하여 보다 정확한 상관관계를 유도할 수 있을 것으로 사료된다. 구동 주파수에 따라 발생되는 100개의 미세기포를 관찰한 결과, 500 KHz에서 발생되는 기포의 크기는 최소 49.
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