초음파를 사용해 음속도, 감쇠 계수, 밀도, 비선형 B/A 파라미터 등을 측정하여 인체 조직의 특성을 정량적으로 영상화하고자 하는 연구가 1980년대부터 많이 진행되어 왔으나 아직 상용화 단계에는 도달하지 못했다. 하지만 1990년대 초에 시작된 탄성 영상법은 최근 들어 초음파 진단기에 상용화되어 임상에서 B-모드 영상법과 함께 전립선, 유방, 갑상선, 간, 혈관 등을 진단하기 위한 보완적이며 더 정량적인 모드로 사용되고 있는 단계에 진입하였다. 본고에서는 주로 준정적 또는 정적탄성 영상법에 사용되는 여러 가지 알고리듬을 소개하고 특성을 비교하고자 한다. 대부분의 알고리듬은 상호상관함수 또는 자기상관함수 방법에 그 기반을 두고 있으며 전자는 래그를 변화시켜가면서 시간 이동량을 찾지만 후자는 보간 과정 없이 고정된 래그에서의 위상차로부터 시간 이동량을 바로 구해 변위를 추정하는 점이다.
초음파를 사용해 음속도, 감쇠 계수, 밀도, 비선형 B/A 파라미터 등을 측정하여 인체 조직의 특성을 정량적으로 영상화하고자 하는 연구가 1980년대부터 많이 진행되어 왔으나 아직 상용화 단계에는 도달하지 못했다. 하지만 1990년대 초에 시작된 탄성 영상법은 최근 들어 초음파 진단기에 상용화되어 임상에서 B-모드 영상법과 함께 전립선, 유방, 갑상선, 간, 혈관 등을 진단하기 위한 보완적이며 더 정량적인 모드로 사용되고 있는 단계에 진입하였다. 본고에서는 주로 준정적 또는 정적탄성 영상법에 사용되는 여러 가지 알고리듬을 소개하고 특성을 비교하고자 한다. 대부분의 알고리듬은 상호상관함수 또는 자기상관함수 방법에 그 기반을 두고 있으며 전자는 래그를 변화시켜가면서 시간 이동량을 찾지만 후자는 보간 과정 없이 고정된 래그에서의 위상차로부터 시간 이동량을 바로 구해 변위를 추정하는 점이다.
Since the 1980s, there have been many research activities devoted to quantitatively characterizing and imaging human tissues based on sound speed, attenuation coefficient, density, nonlinear B/A parameter, etc., but those efforts have not yet reached the stage of commercialization. However, a new im...
Since the 1980s, there have been many research activities devoted to quantitatively characterizing and imaging human tissues based on sound speed, attenuation coefficient, density, nonlinear B/A parameter, etc., but those efforts have not yet reached the stage of commercialization. However, a new imaging technology termed elastography, which was proposed in the early 1980s, has recently been implemented in commercial clinical ultrasound scanners, and is now being used to diagnose prostates, breasts, thyroids, livers, blood vessels, etc., more quantitatively as a complementary adjunct modality to the conventional B-mode imaging. The purpose of this article is to introduce and review various elastographic algorithms for use in quasistatic or static compression type elasticity imaging modes. Most of the algorithms are based on the crosscorrelation or autocorrelation function methods, and the fundamental difference is that the time shift is estimated by changing the lag variable in the former, while it is directly obtained from the phase shift at a fixed lag in the latter.
Since the 1980s, there have been many research activities devoted to quantitatively characterizing and imaging human tissues based on sound speed, attenuation coefficient, density, nonlinear B/A parameter, etc., but those efforts have not yet reached the stage of commercialization. However, a new imaging technology termed elastography, which was proposed in the early 1980s, has recently been implemented in commercial clinical ultrasound scanners, and is now being used to diagnose prostates, breasts, thyroids, livers, blood vessels, etc., more quantitatively as a complementary adjunct modality to the conventional B-mode imaging. The purpose of this article is to introduce and review various elastographic algorithms for use in quasistatic or static compression type elasticity imaging modes. Most of the algorithms are based on the crosscorrelation or autocorrelation function methods, and the fundamental difference is that the time shift is estimated by changing the lag variable in the former, while it is directly obtained from the phase shift at a fixed lag in the latter.
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문제 정의
1차원 방식을 살펴보도록 하자. 압축 전후의 해석 신호를 각각 다음과 같이 모델링한다.
준정적 인가 방법에서 변형률을 구하는 방식에는 변위를 미분해서 변형률을 구하는 방법과 변위를 구하지 않고 직접 변형률을 바로 구하는 방법이 있다. 본고에서는 준정적 인가 방법에서 변형률을 추정하는 여러 가지 알고리듬을 중심으로 살펴보기로 한다. Yoon 등이 개발한 중심주파수 추적위상차(phase difference with center frequency tracking) 방법[16-18], Shiina 등이 발표한 combined autocorrelation(CA) 방법[19-21], Pesavento 등이 제안한 phase root seeking(PRS) 방법[22-24], Bae와 Kim의 angular strain estimation(ASE)[25,26] 방법 순으로 논하기로 한다.
제안 방법
극점(pole)뿐만 아니라 영점(zero)까지도 단위원 안에 있는 최소 위상(minimum phase) 디지털 필터를 사용하여 초음파의 감쇠를 모델링하고[32] 감쇠 계수를 0.5 dB/cm/MHz로 설정하고 송신 펄스의 한 파장당 산란체의 개수를 10으로 해 시뮬레이션을 수행하였다. 수신된 펄스 에코 신호의 중심주파수가 영상 깊이에 따라 변화하는 모습을 Fig.
본 방법에서는 위상 에일리어싱이 발생하지 않도록 직전 데이터 구간에서 구한 시간 이동량만큼 현재 데이터 구간에서의 압축 후 신호를 시간이동시킨 후 자기상관함수를 구한다.
본 방법은 포락선을 이용하여 상관상관함수를 연산해 위상차를 적게 해주는 시간 이동을 구하고, RF 신호를 이용해 자기상관함수를 연산해 보간 과정 없이 정확하게 위상차를 구해 변위를 구하는 방법으로서, 포락선에 기반한 상관상관함수 방법과 RF 신호에 기반한 자기상관함수 방법을 서로 결합한 것이다. 물론 자기상관함수를 구할 때 RF 신호 대신에 표본화율이 낮은 복소 기저 대역 신호를 사용할 수 있다.
압축 전후 신호의 스페클 특성으로 인한 비상관도(decorrelation)를 줄이기 위해 신호의 위상은 그대로 두고 진폭에 해당하는 포락선 부분만 로그 압축(logarithmic compression)을 하여 변형률 추정에 생기는 잡음의 영향을 줄이는 기법도 추가로 사용하였다.
자기상관함수 방법을 사용하므로 위상 에일리어싱의 문제가 있을 수 있으므로 이를 해결하기 위해 전체 모션 벡터(gross motion vector)를 구해 자기상관함수를 구하기 전에 한쪽 신호를 미리 시간 이동시켜 위상 에일리어싱 문제가 없도록 한다. 본 방법의 장점은 변위가 커서 두 깊이에서의 신호의 위상이 각각 π보다 클 때에도 두 위상의 차이를 구하므로 에일리어싱이 발생하지 않는다는 것이다.
이론/모형
본고에서는 준정적 인가 방법에서 변형률을 추정하는 여러 가지 알고리듬을 중심으로 살펴보기로 한다. Yoon 등이 개발한 중심주파수 추적위상차(phase difference with center frequency tracking) 방법[16-18], Shiina 등이 발표한 combined autocorrelation(CA) 방법[19-21], Pesavento 등이 제안한 phase root seeking(PRS) 방법[22-24], Bae와 Kim의 angular strain estimation(ASE)[25,26] 방법 순으로 논하기로 한다.
하지만 포물선 보간과 여현 보간은 바이어스가 있는 만큼 이를 없애려면 계산량이 많은 재구성 보간(reconstructive interpolation) 방법을 사용해야 한다. 계산량이 많은 상호상관함수 방법 대신에 스페클(speckle) 패턴 추적에도 사용하는, 상관도를 구하는 두 함수 간의 차이를 제곱하는 SSD(sum of squared differences; sum squared difference) 방법, 차이의 절댓값을 구하는 SAD(sum of absolute differences; sum absolute difference) 방법을 사용하기도 한다[28-30].
이는 θ(t0) = 0 방정식을 만족하는 t0를 구하는 문제로 귀착되므로 Pesavento 등은 Newton- Raphson(NR) 방법을 사용하였다.
후속연구
하지만 자기상관함수 방법은 위상 정보에 기반을 두고 있는 만큼 신호의 대역이 넓거나 신호 대 잡음 비가 낮은 경우에는 상호상관함수 방법에 비해 성능이 못한 편이다. 또한 시간 이동이 크면 위상 감김(phase wrapping) 또는 위상에일리어싱(aliasing)이 생기므로 이에 대한 대책을 마련해야 한다. 자기상관함수 방법에서는 비교하는 두 신호 간의 위상차가 줄어들도록 한 신호를 다른 신호 쪽으로 이동시켜 주어야 한다.
바람직한 탄성 알고리듬은 초음파 검사자(ultrasonographer; sonographer)의 경험, 숙련도에 관계없이 일관되고 재현성 있는 탄성 영상을 제공해줄 수 있어야 할 것이다. 앞으로 상당한 시일이 걸리겠지만 역문제(inverse problem)의 해법을 통한 정량적인 탄성 영상의 획득이 가능하기를 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초음파 B-모드 영상의 문제점은?
기존의 초음파 B-모드 영상은 주로 조직의 임피던스의 차이에 기인하는 반사 계수(reflection coefficient)를 영상화하기 때문에 암이나 종양 같은 병변을 구변하는 데 어려움이 있었다. 반사 계수 외에도 음속도, 감쇠 계수, 밀도, 비선형 B/A 파라미터 등을 영상화하고자 하는 연구가 1980년대 이후부터 많이 진행되었으나 아직까지 실용화되지 못했다[1-4].
탄성 영상법은 무엇을 알아내는가?
미국 텍사스 의과대학의 Ophir팀은 1991년에 elastography로 명명된 탄성 영상법을 처음으로 발표하였다[6]. 이 방법은 암 또는 종양이 있는 조직은 정상적 조직에 비해 일반적으로 더 단단한 사실에 착안해 외부에서 조직을 눌러주었을 때 조직이 압축되는 정도의 차이를 구해서 해당 조직이 정상인지 비정상인지를 알아낸다[7-9].
무엇을 촉진법이라고 하는가?
예전부터 의사들은 손으로 환자의 환부를 눌러보고 그 단단함을 파악해 병변을 진단했다. 이를 촉진법(manual palpation technique)이라고 한다.
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