본 논문은 초음파를 이용한 단층촬영(ultrasound computed tomography, UCT)을 위해 사용되는 영상 복원 방식에서 실제 사용되는 초음파 트랜스듀서의 조합에 따른 영항을 다루었다. 촬영 대상의 속도 분포를 구하기 위해서 라돈 변환(radon transform)을 사용하였으며, 음향 임피던스의 영상화를 위하여, 시간지연(delay and sum)방식을 사용하였다. 음향 임피던스 영상의 경우 속도 분포 영상에 의해 보정하여 더 정확한 영상을 복원하였다. 매질의 특성에 따른 감쇠, 굴절 및 반사를 고려한 초음파 시뮬레이터로 128개의 환형트랜스듀서 어레이를 구현하였으며, 5 MHz의 중심주파수로, 5 cm의 인체조직 영상을 구현하였다. 실제 구현을 위한 최적의 트랜스듀서 조합을 찾기 위해, 점 진원(point source), 평면 트랜스듀서(flat transducer), 집속 트랜스듀서(focused transducer)를 이용해서 속도 분포에 대한 영상과 음향 임피던스 영상을 구현하여 비교하였다. 또한 시뮬레이션 상에서는 송신 및 수신 트랜스듀서가 모두 점 트랜스듀서인 경우가 가장 좋은 결과를 보여주었으나, 실제 구현을 고려하면 송신은 평면 트랜스듀서가 수신은 점 트랜스듀서로 하는 조합이 가장 현실적으로 좋은 결과를 보여준다.
본 논문은 초음파를 이용한 단층촬영(ultrasound computed tomography, UCT)을 위해 사용되는 영상 복원 방식에서 실제 사용되는 초음파 트랜스듀서의 조합에 따른 영항을 다루었다. 촬영 대상의 속도 분포를 구하기 위해서 라돈 변환(radon transform)을 사용하였으며, 음향 임피던스의 영상화를 위하여, 시간지연(delay and sum)방식을 사용하였다. 음향 임피던스 영상의 경우 속도 분포 영상에 의해 보정하여 더 정확한 영상을 복원하였다. 매질의 특성에 따른 감쇠, 굴절 및 반사를 고려한 초음파 시뮬레이터로 128개의 환형 트랜스듀서 어레이를 구현하였으며, 5 MHz의 중심주파수로, 5 cm의 인체조직 영상을 구현하였다. 실제 구현을 위한 최적의 트랜스듀서 조합을 찾기 위해, 점 진원(point source), 평면 트랜스듀서(flat transducer), 집속 트랜스듀서(focused transducer)를 이용해서 속도 분포에 대한 영상과 음향 임피던스 영상을 구현하여 비교하였다. 또한 시뮬레이션 상에서는 송신 및 수신 트랜스듀서가 모두 점 트랜스듀서인 경우가 가장 좋은 결과를 보여주었으나, 실제 구현을 고려하면 송신은 평면 트랜스듀서가 수신은 점 트랜스듀서로 하는 조합이 가장 현실적으로 좋은 결과를 보여준다.
The type of ultrasound transducer used influences the quality of a reconstructed ultrasound image. This study analyzed the effect of transducer type on ultrasound computed tomography (UCT) image quality. The UCT was modeled in an ultrasound simulator by using a 5 cm anatomy model and a ring-shape 5 ...
The type of ultrasound transducer used influences the quality of a reconstructed ultrasound image. This study analyzed the effect of transducer type on ultrasound computed tomography (UCT) image quality. The UCT was modeled in an ultrasound simulator by using a 5 cm anatomy model and a ring-shape 5 MHz 128 transducer array, which considered attenuation, refraction, and reflection. Speed-of-sound images were reconstructed by the Radon transform as the UCT image modality. Acoustic impedance images were also reconstructed by the delay-and-sum (DAS) method, which considered the speed of sound information. To determine the optimal combination of transducers in observation, point-source, flat, and focused transducers were tested in combination as trasmitters and receivers; UCT images were constructed from each combination. The combination of point-source/flat transducer as transmitting and receiving devices presented the best reconstructed image quality. In UCT implementation, the combination of a flat transducer for transmitting and a point transducer for receiving permitted acceptable image quality.
The type of ultrasound transducer used influences the quality of a reconstructed ultrasound image. This study analyzed the effect of transducer type on ultrasound computed tomography (UCT) image quality. The UCT was modeled in an ultrasound simulator by using a 5 cm anatomy model and a ring-shape 5 MHz 128 transducer array, which considered attenuation, refraction, and reflection. Speed-of-sound images were reconstructed by the Radon transform as the UCT image modality. Acoustic impedance images were also reconstructed by the delay-and-sum (DAS) method, which considered the speed of sound information. To determine the optimal combination of transducers in observation, point-source, flat, and focused transducers were tested in combination as trasmitters and receivers; UCT images were constructed from each combination. The combination of point-source/flat transducer as transmitting and receiving devices presented the best reconstructed image quality. In UCT implementation, the combination of a flat transducer for transmitting and a point transducer for receiving permitted acceptable image quality.
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문제 정의
본 논문은 이상적인 점, 평면, 집속 트랜스듀서를 기반으로 한 초음파 단층촬영의 결과를 구현하였다. 실제 구현시 송신 및 수신 트랜스듀서의 주파수 응답 특성, 음향학적 및 전기적 노이즈 등이 실제 영상에 크게 영향을 끼칠 것으로 예상된다.
본 논문은 전파시간 및 반사 신호를 이용한 초음파 단층촬영에서 최적의 트랜스듀서의 조합을 찾는 것을 목적으로 한다. 이를 위해서 한 지점에서 초음파를 발생시켜 물체를 투과한 초음파를 반대편에서 계산하여 전파시간을 이용한 물체 내부의 속도 분포를 먼저 복원한다.
제안 방법
4와 같이 직선과 곡선의 형태로 나타내어 시뮬레이션을 하였다. 3가지 종류의 송신과 수신용 트랜스듀서를 번갈아 바꾸어가며 서로 다른 9번의 시뮬레이션을 진행하였다. 집속 트랜스듀서와 평면 트랜스듀서의 경우 트랜스듀서의 크기는 12 mm로 설정을 하였으며, 집속 트랜스듀서의 초점까지의 거리는 75 mm로 설정을 하여 전체 공간의 중앙에 오게 하였다.
k-Wave는 광음향학, 초음파 등을 연구하기 위한 time-domain acoustic 시뮬레이션 프로그램이다. k-Wave에서는 1차원, 2차원, 3차원 시뮬레이션을 지원하는데, 본 논문은 그중 2차원 시뮬레이션 툴을 사용하여 시뮬레이션을 하였다[10,11].
또한 3가지 트랜스듀서를 송, 수신 트랜스듀서로 사용한 조합들의 시뮬레이션 결과를 비교해 보았다. 이 결과를 토대로 점 진원으로 송신을 하여 점 트랜스듀서로 수신을 하는 경우 가장 정확한 복원 영상을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
복원하려는 이미지를 N×N grid로 분할을 하여각 grid에서 여러 트랜스듀서까지의 거리를 이용하여 거리에 따른 지연시간을 예측한다.
이후 시뮬레이션에서 점 진원으로 송신을 하고 점, 집속, 평면 트랜스듀서로 각각 수신을 하여 첫 시뮬레이션과 마찬가지로 속도 분포를 구한 후 이를 이용하여 delay and sum으로 영상을 복원하였다. 복원한 속도 분포와 delay and sum으로 복원한 영상을 비교하기 위하여 Fig. 8과 같이 수신한 트랜스듀서에 따른 속도 분포와 delay and sum으로 복원한 영상을 놓고 비교하였다.
수신용 트랜스듀서는 phantom의 중앙을 기준으로 반경 75 mm의 원형 위에 128개의 같은 종류의 트랜스듀서를 일정한 각도로 배치하였다. 송신용 트랜스듀서는 같은 원형 위에 1개를 배치하여 일정한 각도로 이동을 하면서 시뮬레이션을 진행하였다. Phantom 주위 medium의 속도는 1500 m/s로 설정하였고 phantom에서의 초음파의 속도는 1500 m/s ~ 1600 m/s로 설정을 하였다.
시뮬레이션은 송신용 트랜스듀서와 수신용 트랜스듀서의 조합을 바꿔가면서 진행을 하였다. 송신용 트랜스듀서는 점 진원, 집속 트랜스듀서, 평면 트랜스듀서 중에서 하나를 정하여 바꿔가면서 사용하였고 수신용 트랜스듀서는 점 트랜스듀서, 집속 트랜스듀서, 평면 트랜스듀서 중에서 하나를 정하여 바꿔가면서 사용하였다. 점 진원과 점 트랜스듀서의 경우 점으로 표현되며, 집속 트랜스듀서와 평면 트랜스듀서의 경우 Fig.
시뮬레이션은 송신용 트랜스듀서와 수신용 트랜스듀서의 조합을 바꿔가면서 진행을 하였다. 송신용 트랜스듀서는 점 진원, 집속 트랜스듀서, 평면 트랜스듀서 중에서 하나를 정하여 바꿔가면서 사용하였고 수신용 트랜스듀서는 점 트랜스듀서, 집속 트랜스듀서, 평면 트랜스듀서 중에서 하나를 정하여 바꿔가면서 사용하였다.
시뮬레이션의 진행과정은 송신용 트랜스듀서에서 중심주파수가 5 MHz인 정현파를 한 사이클 발생시켜 128개의 수신용 트랜스듀서에서 수신을 하는 방식으로 진행을 하였다. 이 과정에서 각 수신용 트랜스듀서에서 측정한 A-scan data들을 이용하여 두 가지 방식으로 이미지 복원하게 된다.
실험과 달리 시뮬레이션은 수신용 트랜스듀서들을 원형으로 배치한 후 한 개의 송신용 트랜스듀서로 초음파를 송신한 후 다른 수신용 트랜스듀서들로 수신을 하는 방식으로 중앙에 매질과의 음속의 차이가 존재하는 phantom이 있는 경우와 없는 경우로 나누어 2가지의 데이터를 저장하는 방식으로 진행되었다. 이 과정을 모든 트랜스듀서에 대하여 반복을 하여 구한 여러 A-scan data들을 토대로 영상 복원을 하였다.
실험과 달리 시뮬레이션은 수신용 트랜스듀서들을 원형으로 배치한 후 한 개의 송신용 트랜스듀서로 초음파를 송신한 후 다른 수신용 트랜스듀서들로 수신을 하는 방식으로 중앙에 매질과의 음속의 차이가 존재하는 phantom이 있는 경우와 없는 경우로 나누어 2가지의 데이터를 저장하는 방식으로 진행되었다. 이 과정을 모든 트랜스듀서에 대하여 반복을 하여 구한 여러 A-scan data들을 토대로 영상 복원을 하였다.
본 논문은 전파시간 및 반사 신호를 이용한 초음파 단층촬영에서 최적의 트랜스듀서의 조합을 찾는 것을 목적으로 한다. 이를 위해서 한 지점에서 초음파를 발생시켜 물체를 투과한 초음파를 반대편에서 계산하여 전파시간을 이용한 물체 내부의 속도 분포를 먼저 복원한다. 그 이후 물체를 투과한 초음파가 아닌 반사된 초음파를 계산하여 지연시간 (delay and sum) 방식을 이용하여 반사가 일어난 지점들을 구하여 물체의 내부 경계를 구하게 된다.
이후 시뮬레이션에서 점 진원으로 송신을 하고 점, 집속, 평면 트랜스듀서로 각각 수신을 하여 첫 시뮬레이션과 마찬가지로 속도 분포를 구한 후 이를 이용하여 delay and sum으로 영상을 복원하였다. 복원한 속도 분포와 delay and sum으로 복원한 영상을 비교하기 위하여 Fig.
첫 번째 시뮬레이션에서는 점 진원으로 송신을 하고 점 트랜스듀서로 수신을 하여 측정한 A-scan data들로 이미지를 복원하였다. Fig.
대상 데이터
3와 같이 가로, 세로 크기가 50 mm인 Shepp-Logan phantom[12]으로 설정을 하여 전체 공간의 정 가운데에 배치를 하였다. 수신용 트랜스듀서는 phantom의 중앙을 기준으로 반경 75 mm의 원형 위에 128개의 같은 종류의 트랜스듀서를 일정한 각도로 배치하였다. 송신용 트랜스듀서는 같은 원형 위에 1개를 배치하여 일정한 각도로 이동을 하면서 시뮬레이션을 진행하였다.
시뮬레이션에 사용되는 초음파는 5 MHz의 주파수를 갖는 초음파를 사용했으며, 그에 따라 속도가 1500 m/s인 초음파의 파장이 0.3 mm가 되어 grid 한 칸의 크기는 파장의 절반인 가로, 세로 0.15 mm로 설정을 하여 전체 평면은 667×667 개의 grid로 분할되어 시뮬레이션이 진행되었다.
시뮬레이션의 총 크기는 가로, 세로 100 mm의 2차원 평면으로 설정을 했으며, 측정할 phantom은 Fig. 3와 같이 가로, 세로 크기가 50 mm인 Shepp-Logan phantom[12]으로 설정을 하여 전체 공간의 정 가운데에 배치를 하였다. 수신용 트랜스듀서는 phantom의 중앙을 기준으로 반경 75 mm의 원형 위에 128개의 같은 종류의 트랜스듀서를 일정한 각도로 배치하였다.
이론/모형
영상을 복원하기 위한 초음파 시뮬레이션은 k-Wave 라는 초음파 시뮬레이터를 사용하였다. k-Wave는 광음향학, 초음파 등을 연구하기 위한 time-domain acoustic 시뮬레이션 프로그램이다.
성능/효과
초음파 트랜스듀서의 단위면적당 출력 에너지는 제한되어 있으므로, 점 진원으로 실험을 할 경우 낮은 출력 에너지를 가지게 되고 이는 영상의 신호 대 잡음비를 낮출 것으로 예상된다. 따라서 집속 트랜스듀서나 평면 트랜스듀서로 송신을 하는 방식을 사용하는 것이 실험을 진행하는데 적합하다.
마지막으로 집속 트랜스듀서와 수중청음기를 사용하는 경우와 평면 트랜스듀서와 수증청음기를 사용하는 경우를 비교해 볼 경우 후자의 경우가 더 정확한 속도 분포를 얻을 수 있기 때문에 평면 트랜스듀서와 수증청음기가 실험을 구현하기에 가장 적합한 조합이라 할 수 있다.
본 논문에서는 delay and sum으로 영상을 복원할 경우 라돈 변환으로 구한 속도 분포를 이용하면 더 정확한 영상을 복원할 수 있다는 결론을 얻을 수 있다.
또한 3가지 트랜스듀서를 송, 수신 트랜스듀서로 사용한 조합들의 시뮬레이션 결과를 비교해 보았다. 이 결과를 토대로 점 진원으로 송신을 하여 점 트랜스듀서로 수신을 하는 경우 가장 정확한 복원 영상을 확보할 수 있음을 알 수 있다. 초음파 트랜스듀서의 단위면적당 출력 에너지는 제한되어 있으므로, 점 진원으로 실험을 할 경우 낮은 출력 에너지를 가지게 되고 이는 영상의 신호 대 잡음비를 낮출 것으로 예상된다.
후속연구
실제 구현시 송신 및 수신 트랜스듀서의 주파수 응답 특성, 음향학적 및 전기적 노이즈 등이 실제 영상에 크게 영향을 끼칠 것으로 예상된다. 이는 실험을 통한 후속 연구에서 다루어질 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
X-ray를 이용한 CT가 많이 사용되는 이유는?
이 방법은 인체의 내부를 보기에는 좋은 방법이지만 장비가 비싸며 수소가 함유되어있지 않는 경우에는 사용하기 어려운 단점이 있다. X-ray를 이용한 CT의 경우 X선을 투과시켜 내부 영상을 관찰하는 방법으로, 직진성이 좋아 영상을 쉽게 복원할 수 있기 때문에 많이 사용되고 있다. 하지만 X선을 투과시키는 만큼 인체의 경우 사용의 횟수가 제한된다는 단점이 있다.
MRI란?
단층촬영의 종류로는 MRI, X-ray CT를 이용한 방법이 있으며, 최근 초음파를 이용한 단층촬영이 연구 중에 있다. MRI의 경우 자장을 가하여 수소 원자핵을 공명시켜 나오는 신호를 분석하여 인체의 내부를 보는 방법이다. 이 방법은 인체의 내부를 보기에는 좋은 방법이지만 장비가 비싸며 수소가 함유되어있지 않는 경우에는 사용하기 어려운 단점이 있다.
MRI의 단점은?
MRI의 경우 자장을 가하여 수소 원자핵을 공명시켜 나오는 신호를 분석하여 인체의 내부를 보는 방법이다. 이 방법은 인체의 내부를 보기에는 좋은 방법이지만 장비가 비싸며 수소가 함유되어있지 않는 경우에는 사용하기 어려운 단점이 있다. X-ray를 이용한 CT의 경우 X선을 투과시켜 내부 영상을 관찰하는 방법으로, 직진성이 좋아 영상을 쉽게 복원할 수 있기 때문에 많이 사용되고 있다.
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