최근에 디지털 유방촬영술(digital mammography, DM)의 해부학적 구조의 겹침 현상과 컴퓨터단층촬영영상(computed tomography, CT)의 높은 환자 선량을 해결하기 위해 디지털 유방단층영상합성장치(digital breast tomosynthesis, DBT)에 대한 연구 개발이 활발하게 수행되고 있다. 하지만 DBT 시스템은 제한된 각도로 영상을 획득하면서 급격한 데이터 결핍으로 인해 다른 층의 간섭으로 인한 인공물(artifacts)이 발생한다. 이를 완화시키기 위해 적절한 필터가 필요하다. 본 논문에서는 DBT 시스템에서 FBP 알고리즘을 이용하여 영상재구성 시 발생되는 인공물을 줄이기 위해 적절한 필터조합을 찾는 것이 궁극적인 목적이다. 시뮬레이션과 실제 실험을 통해 동일한 영상 획득조건에서 FBP 알고리즘을 이용해 재구성된 영상을 분석하여 다양한 필터 조합들의 특성을 조사했다. 필터 특성에 대한 평가를 하기 위해 영상 및 프로파일의 분석과 COV (coefficient of variation)를 이용하여 인공물과 잡음에 대한 평가를 하였다. 본 연구 결과를 통해 분광필터(spectral filter)의 파라미터 인자 값들을 조절하여 cut-off frequency를 설정함으로써 고주파 영역에 있는 영상의 잡음을 줄일 수 있었다. DBT 시스템에서 유방팬텀을 재구성한 영상들을 비교했을 때 분광필터의 파라미터 인자를 0.25로 적용한 영상의 결과는 분광필터를 적용하지 않았을 때보다 영상의 잡음을 10%로 감소시킬 수 있었다. 절편두께필터(slice thickness filter)의 파라미터 인자의 값들을 조절하여 정보들의 불균형을 줄임으로써 다른 층의 간섭으로 인한 인공물을 감소시킬 수 있었다. 결론적으로, 본 연구를 통해 FBP 알고리즘으로 재구성했을 때 필터들의 기본 특성을 확인 할 수 있었으며, 적절한 필터 조합이 실제 화질 개선에 기여한 것으로 확인할 수 있었다. 이 연구 결과는 다양한 필터 조합에 따른 잡음과 데이터 결핍에 의한 인공물에 대한 정보를 제공하여 DBT 시스템의 개발 및 임상화적용 연구에 기반이 될 것으로 기대된다.
최근에 디지털 유방촬영술(digital mammography, DM)의 해부학적 구조의 겹침 현상과 컴퓨터단층촬영영상(computed tomography, CT)의 높은 환자 선량을 해결하기 위해 디지털 유방단층영상합성장치(digital breast tomosynthesis, DBT)에 대한 연구 개발이 활발하게 수행되고 있다. 하지만 DBT 시스템은 제한된 각도로 영상을 획득하면서 급격한 데이터 결핍으로 인해 다른 층의 간섭으로 인한 인공물(artifacts)이 발생한다. 이를 완화시키기 위해 적절한 필터가 필요하다. 본 논문에서는 DBT 시스템에서 FBP 알고리즘을 이용하여 영상재구성 시 발생되는 인공물을 줄이기 위해 적절한 필터조합을 찾는 것이 궁극적인 목적이다. 시뮬레이션과 실제 실험을 통해 동일한 영상 획득조건에서 FBP 알고리즘을 이용해 재구성된 영상을 분석하여 다양한 필터 조합들의 특성을 조사했다. 필터 특성에 대한 평가를 하기 위해 영상 및 프로파일의 분석과 COV (coefficient of variation)를 이용하여 인공물과 잡음에 대한 평가를 하였다. 본 연구 결과를 통해 분광필터(spectral filter)의 파라미터 인자 값들을 조절하여 cut-off frequency를 설정함으로써 고주파 영역에 있는 영상의 잡음을 줄일 수 있었다. DBT 시스템에서 유방팬텀을 재구성한 영상들을 비교했을 때 분광필터의 파라미터 인자를 0.25로 적용한 영상의 결과는 분광필터를 적용하지 않았을 때보다 영상의 잡음을 10%로 감소시킬 수 있었다. 절편두께필터(slice thickness filter)의 파라미터 인자의 값들을 조절하여 정보들의 불균형을 줄임으로써 다른 층의 간섭으로 인한 인공물을 감소시킬 수 있었다. 결론적으로, 본 연구를 통해 FBP 알고리즘으로 재구성했을 때 필터들의 기본 특성을 확인 할 수 있었으며, 적절한 필터 조합이 실제 화질 개선에 기여한 것으로 확인할 수 있었다. 이 연구 결과는 다양한 필터 조합에 따른 잡음과 데이터 결핍에 의한 인공물에 대한 정보를 제공하여 DBT 시스템의 개발 및 임상화적용 연구에 기반이 될 것으로 기대된다.
Recently, digital breast tomosynthesis (DBT) has been investigated to overcome the limitation of conventional mammography for overlapping anatomical structures and high patient dose with cone-beam computed tomography (CBCT). However incomplete sampling due to limited angle leads to interference on t...
Recently, digital breast tomosynthesis (DBT) has been investigated to overcome the limitation of conventional mammography for overlapping anatomical structures and high patient dose with cone-beam computed tomography (CBCT). However incomplete sampling due to limited angle leads to interference on the neighboring slices. Many studies have investigated to reduce artifacts such as interference. Moreover, appropriate filters for tomosynthesis have been researched to solve artifacts resulted from incomplete sampling. The primary purpose of this study is finding appropriate filter scheme with FBP reconstruction for DBT system to reduce artifacts. In this study, we investigated characteristics of various filter schemes with simulation and prototype digital breast tomosynthesis under same acquisition parameters and conditions. We evaluated artifacts and noise with profiles and COV (coefficinet of variation) to study characteristic of filter. As a result, the noise with parameter 0.25 of Spectral filter reduced by 10% in comparison to that with only Ramp-lak filter. Because unbalance of information reduced with decreasing B of Slice thickness filter, artifacts caused by incomplete sampling reduced. In conclusion, we confirmed basic characteristics of filter operations and improvement of image quality by appropriate filter scheme. The results of this study can be utilized as base in research and development of DBT system by providing information that is about noise and artifacts depend on various filter schemes.
Recently, digital breast tomosynthesis (DBT) has been investigated to overcome the limitation of conventional mammography for overlapping anatomical structures and high patient dose with cone-beam computed tomography (CBCT). However incomplete sampling due to limited angle leads to interference on the neighboring slices. Many studies have investigated to reduce artifacts such as interference. Moreover, appropriate filters for tomosynthesis have been researched to solve artifacts resulted from incomplete sampling. The primary purpose of this study is finding appropriate filter scheme with FBP reconstruction for DBT system to reduce artifacts. In this study, we investigated characteristics of various filter schemes with simulation and prototype digital breast tomosynthesis under same acquisition parameters and conditions. We evaluated artifacts and noise with profiles and COV (coefficinet of variation) to study characteristic of filter. As a result, the noise with parameter 0.25 of Spectral filter reduced by 10% in comparison to that with only Ramp-lak filter. Because unbalance of information reduced with decreasing B of Slice thickness filter, artifacts caused by incomplete sampling reduced. In conclusion, we confirmed basic characteristics of filter operations and improvement of image quality by appropriate filter scheme. The results of this study can be utilized as base in research and development of DBT system by providing information that is about noise and artifacts depend on various filter schemes.
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문제 정의
본 논문에서는 DBT 시스템에서 FBP 알고리즘을 이용하여 영상재구성 시 발생되는 인공물을 줄이기 위해 다양한 필터들의 특성이 화질에 미치는 영향을 분석하고, 이를 기반으로 실제 프로토타입 DBT 시스템을 이용하여 유방팬텀 영상을 다양한 필터조합들을 적용하여 재구성한 영상을 분석 비교함으로써 적절한 필터를 찾고자한다.
가설 설정
필터조합 1의 프로파일 에서 픽셀 값이 음수인 부분은 Ramp-lak 필터에 의한 영향을 의미한다.7,10) 분광필터의 파라미터 A값이 줄어들수록 전체적인 픽셀값이 감소하고, 볼의 경계 부분에 존재하는 픽셀 값들이 음수에서 0으로 다가간다.
제안 방법
DBT 시스템의 영상 재구성 시 필터링에 필요한 필터들 중 분광필터, 절편두께필터가 영상의 화질에 미치는 영향을 평가하기 위해 8가지의 필터조합을 사용하였다. 본 논문에서 사용된 재구성 필터조합은 Table 2와 같다.
6에서 획득한 25번째 슬라이스(out-of-plane)와 33번째 슬라이스(in-plane)의 25번째 선에서 획득한 프로파일을 보여준다. 내면과 외면의 프로파일을 비교하기 위해 내면의 프로파일로 외면의 프로파일을 정규화하여 픽셀 값을 표현하였다.
본 연구에서는 MATLABⓇ (R2014b, MathWorks, USA) 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 공간에서 필터들의 특성을 조사하기 위해 아래와 같은 팬텀을 구현하였다(Fig. 2a). 이 팬텀은 50×50×50 mm3의 크기를 가지며, 크기가 1×1×1mm3인 복셀을 50×50×50으로 매트릭스를 구성했다.
본 연구에서는 단층영상합성법에 이용되는 분광필터와 절편두께필터가 재구성시 영상에 미치는 영향을 확인하기 위해 시뮬레이션과 실제 프로토타입 디지털 유방단층영상 합성 시스템을 이용하였다. 그 결과 분광필터의 파라미터 A를 조절하여 wy의 주파수 대역을 설정함으로써 영상의 잡음과 공간 해상도를 조절할 수 있었다.
본 연구에서는 회전각도가 ±21° 범위에서 약 3°씩 회전하며 얻은 총 15장의 영상을 FBP 알고리즘을 사용하여 재구성하였다.
볼 팬텀의 시뮬레이션을 통한 다양한 필터들의 조합을 실제 프로토타입 DBT 시스템을 이용하여 획득한 유방 팬텀의 3-D 영상 재구성에 적용해보았다. 필터조합 1의 경우 Ramp-lak 필터에 의해 고주파 영역에서 나타나는 잡음이 강조된 것을 확인할 수 있다.
볼이 위치한 슬라이스를 내면 (in-plane)이라 하며, 볼이 위치하지 않은 슬라이스를 외면(out-of-plane)이라 한다. 분광필터(spectral filter)의 영향을 확인하기 위해 다양한 필터조합으로 재구성된 내면의 영상과 프로파일을 비교하였다. 절편두께필터(slice thickness filter)가 다른 층의 간섭현상을 완화시켜 줄 수 있는지 확인하기 위해 내면과 외면의 영상 및 프로파일을 이용하여 비교 평가하였다.
필터조합 1부터 4는 분광필터의 특성을 확인하기 위해 사용했다. 분광필터가 Ramp-lak 필터에 의한 영향을 완화시킬 수 있는지 분석하기 위해 재구성된 3차원 영상의 내면 영상을 비교했으며, 프로파일을 분석하였다. 필터조합 5부터 8은 절편두께 필터의 특성을 확인하기 위해 사용했다.
영상 재구성시 미세석회화, 지방, 섬유조직, 종괴 등이 포함된 슬라이스가 내면을 의미한다. 분광필터의 값에 따른 영상 화질을 비교하기 위해 내면의 미세석회화, 지방의 영상화질을 비교하였다. 절편두께필터에 대한 특성을 분석하기 위해서 내면의 공간분해능 분석 패턴 부분과 외면에서의 공간분해능 분석 패턴 영역의 영상을 비교 평가하였다.
1). 사용된 DBT 시스템은 Table 1과 같은 사양이며, 동일한 조건으로 얻은 프로젝션으로 영상 재구성을 수행하였다. DBT 시스템의 X-선관은 최대 ±25° 범위에서 촬영이 가능하며 아치형으로 움직인다.
DBT 시스템에서 FBP 알고리즘으로 영상 재구성 시, 분광필터와 절편두께필터의 영향을 확인하기 볼 팬텀의 시뮬레이션과 실제 시스템을 이용하였다. 시뮬레이션에서 분광 필터의 영향을 확인하기 위해 분광필터의 파라미터 A값을 조절하여 주파수 영역에서의 cut-off frequency를 설정하였다. 분광필터의 파라미터 A값이 줄어든다는 의미를 공간 도메인에서 보았을 때 물결 파동 현상이 적어지고 흐려지는 것을 의미한다.
필터조합 5부터 8은 절편두께 필터의 특성을 확인하기 위해 사용했다. 절편두께 필터가 다른 층의 간섭으로 인한 인공물을 완화시킬 수 있는지 확인하기 위해 내면과 외면의 영상과 프로파일을 비교 분석하였다.
분광필터(spectral filter)의 영향을 확인하기 위해 다양한 필터조합으로 재구성된 내면의 영상과 프로파일을 비교하였다. 절편두께필터(slice thickness filter)가 다른 층의 간섭현상을 완화시켜 줄 수 있는지 확인하기 위해 내면과 외면의 영상 및 프로파일을 이용하여 비교 평가하였다. 프로파일은 Fig.
분광필터의 값에 따른 영상 화질을 비교하기 위해 내면의 미세석회화, 지방의 영상화질을 비교하였다. 절편두께필터에 대한 특성을 분석하기 위해서 내면의 공간분해능 분석 패턴 부분과 외면에서의 공간분해능 분석 패턴 영역의 영상을 비교 평가하였다.
8는 프로토타입 DBT 시스템으로 Model 012A 유방 팬텀을 재구성한 영상이다. 필터조합 1부터 4를 이용하여 획득한 영상들을 비교함으로써 분광필터의 특성을 확인하였다. 잡음이 감소하는 것을 정량적으로 확인하기 위해 팬텀의 백그라운드에 30×30 픽셀로 된 관심영역(region of interest, ROI)에서의 COV를 Table 3에 나타냈다.
대상 데이터
실제 DBT 시스템에서 필터특성을 분석하기 위해 균일한 조직의 유방팬텀 중 하나인 CIRS (Computerized Imaging Reference Systems) Mammography research set (012A 모델)을 이용하였다. 본 연구에서 사용된 012A 모델 팬텀은 1장의 평판은 두께가 10 mm로, 총 5장의 평판을 사용하였다. 이 유방 팬텀은 50%의 유선율을 가지는 유방조직과 같은 등가물질로 이루어져있으며, 여러 장의 균일한 평판들 중에는 미세석회화(micro-calcification), 지방(fat), 섬유(fiber), 종괴(mass) 등이 포함된 1장의 평판이 포함되어 있다.
본 연구에서 프로토타입의 3차원 DBT 시스템(KERI DBT system, Korea Electrotechnology Research Institute, Korea)을 사용하여 영상을 촬영하였다(Fig. 1). 사용된 DBT 시스템은 Table 1과 같은 사양이며, 동일한 조건으로 얻은 프로젝션으로 영상 재구성을 수행하였다.
분광필터, 절편두께필터의 효과를 확인하기 위해 볼 팬텀(Fig. 2)을 이용하였다. Fig.
이 팬텀은 50×50×50 mm3의 크기를 가지며, 크기가 1×1×1mm3인 복셀을 50×50×50으로 매트릭스를 구성했다.
이론/모형
14) Ramp-lak 필터의 이러한 단점을 해결하기 위해 분광필터의 일종인 Hann 윈도우를 사용하였다.
DBT 시스템에서 FBP 알고리즘으로 영상 재구성 시, 분광필터와 절편두께필터의 영향을 확인하기 볼 팬텀의 시뮬레이션과 실제 시스템을 이용하였다. 시뮬레이션에서 분광 필터의 영향을 확인하기 위해 분광필터의 파라미터 A값을 조절하여 주파수 영역에서의 cut-off frequency를 설정하였다.
본 연구에서는 DBT 시스템의 영상재구성을 위해 FBP 알고리즘을 이용하였다. 퓨리에 박편(Fourier slice) 이론에 따라 획득한 영상 데이터를 퓨리에 변환을 통해 획득 시 X-선관의 각도와 데이터들의 성분을 주파수 공간에 표현할 수 있다(Fig.
실제 DBT 시스템에서 분광필터의 특성을 분석하기 위해 노이즈를 평가하는 방법 중 하나인 COV (coefficient of variation)를 식(5)를 이용하여 계산했다.15)
실제 DBT 시스템에서 필터특성을 분석하기 위해 균일한 조직의 유방팬텀 중 하나인 CIRS (Computerized Imaging Reference Systems) Mammography research set (012A 모델)을 이용하였다. 본 연구에서 사용된 012A 모델 팬텀은 1장의 평판은 두께가 10 mm로, 총 5장의 평판을 사용하였다.
성능/효과
1) 유방암의 5년 생존율은 0기 암의 경우 100%에 가까우나 4기의 경우 20% 미만이다. 그러므로 유방암의 생존율을 향상시킬 수 있는 가장 좋은 방법은 증상이 없을 때 조기 발견하는 것이다.
7d로 갈수록 33번째 슬라이스에서의 아티팩트가 균일하게 퍼진다. 결과적으로 적절한 절편두께필터의 파라미터를 사용하면 다른 층의 간섭을 줄일 수 있음을 알 수 있다. 하지만 모든 외면에서 인공물이 보이는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 단층영상합성법에 이용되는 분광필터와 절편두께필터가 재구성시 영상에 미치는 영향을 확인하기 위해 시뮬레이션과 실제 프로토타입 디지털 유방단층영상 합성 시스템을 이용하였다. 그 결과 분광필터의 파라미터 A를 조절하여 wy의 주파수 대역을 설정함으로써 영상의 잡음과 공간 해상도를 조절할 수 있었다. 또한 절편두께필터를 이용하여 제한된 각도에서 영상 획득으로 인한 인공물을 감소시킬 수 있었다.
그 결과 분광필터의 파라미터 A를 조절하여 wy의 주파수 대역을 설정함으로써 영상의 잡음과 공간 해상도를 조절할 수 있었다. 또한 절편두께필터를 이용하여 제한된 각도에서 영상 획득으로 인한 인공물을 감소시킬 수 있었다. 본 연구는 DBT 시스템에서 잡음과 데이터 결핍에 의한 인공물을 줄이기 위한 다양한 필터 조합에 대한 정보를 제공함으로써 DBT 시스템 기초연구 및 임상적용에 활용도가 높을 것으로 기대된다.
필터조합 1은 Ramp-lak 필터만으로 구성된 필터조합으로, Ramp-lak 필터를 공간도메인에서 고려했을 때 물결파동 현상에 의한 영향을 재구성된 영상의 프로파일에서도 확인이 가능하다. 분광필터의 파라미터 A 값이 줄어들수록 Ramp-lak 필터에 의한 영향이 줄어드는 것을 확인 할 수 있었다.
필터조합 1의 경우 Ramp-lak 필터에 의해 고주파 영역에서 나타나는 잡음이 강조된 것을 확인할 수 있다. 분광필터의 파라미터 A를 조절하여 획득한 재구성 영상 결과는 볼 팬텀의 시뮬레이션의 결과와 비슷하게 Ramp-lak필터에 의한 영향을 줄일 수 있었다(Fig. 8). 실제 시스템에서 획득한 영상에서는 분광필터를 적용하지 않은 경우는 COV값이 약 195%였으며, 분광필터를 적용한 경우는 COV값이 약 97%로 감소한 것을 확인할 수 있었다.
25일 때는 각각 COV값이 약 46%와 약 20%였다. 분광필터의 파라미터 인자들을 조절하여 잡음이 감소함으로써 미세석회화, 지방 등의 영상화질이 개선되었다. Fig.
8). 실제 시스템에서 획득한 영상에서는 분광필터를 적용하지 않은 경우는 COV값이 약 195%였으며, 분광필터를 적용한 경우는 COV값이 약 97%로 감소한 것을 확인할 수 있었다. 또 분광필터의 파라미터 인자 값들이 0.
4는 시뮬레이션 공간에서 필터조합 1부터 4에 따라 재구성한 볼 팬텀의 영상(in-plane, 25번째 슬라이스)을 보여준다. 이 결과는 분광필터의 효과를 보여주는데, 분광필터의 파라미터 A값이 줄어들수록 볼 팬텀의 선예도와 강도가 감소하였다.
9은 절편두께필터의 영향을 확인하기 위해 획득한 유방팬텀의 17번째 슬라이스와 30번째 슬라이스이다. 파라미터 B가 작아질수록 30번째 슬라이스에 공간분해능 분석 패턴이 퍼지는 길이가 줄어들면서 슬라이스간의 데이터 간섭이 완화되는 것을 확인 할 수 있다. 유방팬텀의 다양한 필터조합을 적용하여 재구성한 결과는 볼 팬텀의 시뮬레이션의 결과와 비슷하였다.
후속연구
또한 절편두께필터를 이용하여 제한된 각도에서 영상 획득으로 인한 인공물을 감소시킬 수 있었다. 본 연구는 DBT 시스템에서 잡음과 데이터 결핍에 의한 인공물을 줄이기 위한 다양한 필터 조합에 대한 정보를 제공함으로써 DBT 시스템 기초연구 및 임상적용에 활용도가 높을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유방암의 생존율을 향상시킬 수 있는 가장 좋은 방법은 무엇인가?
1) 유방암의 5년 생존율은 0기 암의 경우 100%에 가까우나 4기의 경우 20% 미만이다. 그러므로 유방암의 생존율을 향상시킬 수 있는 가장 좋은 방법은 증상이 없을 때 조기 발견하는 것이다. 우리나라 여성의 경우 유방에 지방 조직이 적고 치밀한 유선 조직이 많아 디지털 유방촬영술(digital mammography, DM)만으로 검사가 불충분하다.
국내 여성들이 디지털 유방촬영술만으로 검사가 불충분한 이유는 무엇인가?
그러므로 유방암의 생존율을 향상시킬 수 있는 가장 좋은 방법은 증상이 없을 때 조기 발견하는 것이다. 우리나라 여성의 경우 유방에 지방 조직이 적고 치밀한 유선 조직이 많아 디지털 유방촬영술(digital mammography, DM)만으로 검사가 불충분하다. 이는 3차원 물체를 통과한 X-선이 2차원 평면으로 영상화하여 물체의 깊이에 대한 정보를 손실하기 때문이다.
디지털 유방단층영상합성장치에서 사용되는 재구성 방법은 무엇이 있는가?
이러한 DBT 시스템에서 사용되는 영상 재구성 방법은 크게 역투영 개념의 SAA (shift-and-add) 방법과 필터링후역 투영(filtered backprojection, FBP), 반복적 영상재구성(iterative image reconstrucion) 방법이 있다. 4-6) 일반적으로 DBT 시스템에서 3-D 영상을 획득하기 위해 FBP 알고리즘을 이용하는데, 6,7) CT와는 다르게 제한된 각도에서 영상을 획득하기 때문에 급격한 데이터 결핍 부분이 발생되며, 이러한 결핍된 데이터는 영상에서 다른 층의 간섭으로 인한 인공물(artifacts)을 유발시킨다.
참고문헌 (15)
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