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문제 정의
- [5] 그 결과 나온 값들 중 상위 40%를 Cut-off 값으로 설정하여 각 표적에 적합한 주파수 및 파라미터를 선별하였다. 그리고 결과값들을 바탕으로 각 표적에 적합한 장비의 주파수 및 파라미터를 제안하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 초음파영상에서 병변의 진단율을 향상하기 위하여 ATS-539 팬텀의 8 mm 표적 8개에서 주파수 변화(2, 3, 4 MHz, 하모닉 3, 4, 4.5 MHz), Focus(2 ,4, 6 개), DR(58, 68, 78, 88, 98)의 파라미터를 변화하면서 영상 표적의 형태 및 신호값을 정량적으로 평가하고자 하였다. 그리고 기존 초음파영상 표적의 평가는 정성적인 방법이며, 본 연구에서는 객관적이고 정량적인 방법의 평가로서 표적의 예민도를 신호대 잡음비(SNR; Signal to Noise Ratio)로 측정하고, 표적의 왜곡도를 히스토그램 분석으로 영상 품질을 평가하였다.
- 본 연구에서는 신호의 히스토그램 분석에서 초음파영상 배경영역의 히스토그램 분포를 제외한 면적당 픽셀수 측정을 기반으로 왜곡도 기준의 객관적인 평가 방법을 제시하고 있다. 그러므로 측정 결과값을 참고한다면 초음파 영상을 이용한 환자 진단에서 정확한 초음파영상 획득에 기여할 것이다.
제안 방법
- 3. 각 표적으로부터 일정한 거리에 있는 BG 영역의 히스토그램을 분석한다.
- 3. 히스토그램을 실행한다.
- 85장의 초음파 영상 중 상위 40%(약 32장) 영상을 우수한 영상 품질평가의 결과값으로 Cut-off 값을 임의로 설정하였다.
- 그리고 기존 초음파영상 표적의 평가는 정성적인 방법이며, 본 연구에서는 객관적이고 정량적인 방법의 평가로서 표적의 예민도를 신호대 잡음비(SNR; Signal to Noise Ratio)로 측정하고, 표적의 왜곡도를 히스토그램 분석으로 영상 품질을 평가하였다.[5] 그 결과 나온 값들 중 상위 40%를 Cut-off 값으로 설정하여 각 표적에 적합한 주파수 및 파라미터를 선별하였다. 그리고 결과값들을 바탕으로 각 표적에 적합한 장비의 주파수 및 파라미터를 제안하고자 한다.
- [7] 또한 초음파영상의 정성적 방법은 영상에 따른 판독자의 주관적인 진단 결과 개인적인 차이가 크다는 점에서 1차 검진으로서 부적절하다.[8] 이에 초음파영상에서 품질의 정량적 평가 방법의 필요성이 대두되고 있으며, 본 연구에서는 초음파영상에서 정량적 평가방법으로 가하학적인 파라미터의 주파수(MHz), DR(dB), 초점(focus)을 변화하여 SNR 값과 히스토그램 분석을 이용하여 기존의 초음파영상 품질평가 항목의 예민도와 왜곡도 평가 방법을 제안하였다.
- 5 MHz), Focus(2 ,4, 6 개), DR(58, 68, 78, 88, 98)의 파라미터를 변화하면서 영상 표적의 형태 및 신호값을 정량적으로 평가하고자 하였다. 그리고 기존 초음파영상 표적의 평가는 정성적인 방법이며, 본 연구에서는 객관적이고 정량적인 방법의 평가로서 표적의 예민도를 신호대 잡음비(SNR; Signal to Noise Ratio)로 측정하고, 표적의 왜곡도를 히스토그램 분석으로 영상 품질을 평가하였다.[5] 그 결과 나온 값들 중 상위 40%를 Cut-off 값으로 설정하여 각 표적에 적합한 주파수 및 파라미터를 선별하였다.
- 왜곡도는 정량적인 방법으로 측정하기 위해 획득한 팬텀영상을 히스토그램으로 분석하였다. 왜곡도를 이용한 영상평가 방법은 다음과 같다.
- 초음파영상의 일반적인 품질 평가로는 ATS-539 다목적 팬텀(multipurpose phantom)을 이용하여 불응영역(dead zone), 종측정(vertical measurement), 횡측정(horizontal measurement), 축방향/외측 해상도(axial/lateral resolution), 국소영역(focal zone), 예민도(sensitivity), 기능적해상도(functional resolution), 회색조와 역학범위(gray scale DR; dynamic range) 8개 항목을 측정하여 영상을 평가한다.
- 심부투과도 초음파영상을 획득하기 위하여 의료용 초음파 진단장치는 Acuson sequoia 512 (SIEMENS, Germany), Convex 탐촉자 (4C1, SIEMENS, Germany)를 사용하였으며, 초음파영상은 깊이(depth) 17 cm, TGC 최대로 하여 85장 영상을 획득하였다. 파라미터로서 주파수변화 2, 3, 4 MHz, 하모닉 3, 4, 4.5 MHz, Dynamic range 변화 58, 68, 78, 88, 98 dB, 초점 수 변화 2, 4, 6개를 적용하였다.
대상 데이터
- 심부투과도 초음파영상을 획득하기 위하여 의료용 초음파 진단장치는 Acuson sequoia 512 (SIEMENS, Germany), Convex 탐촉자 (4C1, SIEMENS, Germany)를 사용하였으며, 초음파영상은 깊이(depth) 17 cm, TGC 최대로 하여 85장 영상을 획득하였다. 파라미터로서 주파수변화 2, 3, 4 MHz, 하모닉 3, 4, 4.
- 예민도와 왜곡도를 정량적인 평가방법으로 초음파 장비를 이용하여 각 주파수 및 파라미터 변화에 따른 총 85장의 영상을 획득하여 평가하였다.
데이터처리
- 5. Fig. 1에서 BG 영역값을 측정하기 위해 각 표적 아래에 ROI 영역을 설정 후 표준편차를 측정한다.
- 실험은 ATS-539 다목적 팬텀, 초음파영상 뷰어 프로그램은 PACS Plus(PPW, ver. 5.12, Korea), 영상평가 프로그램은 Image J(NIH, USA, ver.1. 48)을 사용하여 실험하였다.
- 예민도의 정량적인 평가는 SNR 수식 결과값을 적용하였다. 획득한 팬텀영상을 Image J를 활용하여 영상의 크기를 일정하게 조절하고, ROI 영역과 BG 영역을 설정하여 각각의 최대값, 최소값, 평균값을 SNR 식에 대입하여 결과값을 나타내었다. 평가방법은 다음과 같다.
이론/모형
- 예민도의 정량적인 평가는 SNR 수식 결과값을 적용하였다. 획득한 팬텀영상을 Image J를 활용하여 영상의 크기를 일정하게 조절하고, ROI 영역과 BG 영역을 설정하여 각각의 최대값, 최소값, 평균값을 SNR 식에 대입하여 결과값을 나타내었다.
성능/효과
- 1번째 표적은 DR 68, 88에서 7개의 영상이 Cut- off 값을 충족하였고, 2초점 4 MHz, 6초점 3, 4 MHz에서 모든 영상이 Cut-off 값을 만족하는 것으로 나타났다.
- 2/3/4번째 표적은 DR 58, 98에서 7개 이상의 영상이 Cut-off 값을 충족하였고, 6초점 2, 3, 4 MHz 에서 비교적 많은 수의 영상이 Cut-off 값을 만족하였다. 2번째 표적은 4초점 3 MHz, 4번째 표적은 6초점 하모닉 4 MHz에서 Cut-off 값을 모두 충족하는 것으로 나타났다.
- 2/3/4번째 표적은 DR 58, 98에서 7개 이상의 영상이 Cut-off 값을 충족하였고, 6초점 2, 3, 4 MHz 에서 비교적 많은 수의 영상이 Cut-off 값을 만족하였다. 2번째 표적은 4초점 3 MHz, 4번째 표적은 6초점 하모닉 4 MHz에서 Cut-off 값을 모두 충족하는 것으로 나타났다.
- 3에서 1번째 표적은 낮은 왜곡도, 높은 SNR의 초음파 영상 파라미터의 조건은 4초점, 4 MHz, DR 88과 6초점, 3 MHz, DR 68로 나타났으며, 2초점, 4 MHz에서 눈에 띄게 낮은 왜곡도 결과가 나타났다. 2번째 표적은 6초점 3, 4 MHz에서 낮은 왜곡도와 높은 SNR 결과값으로, 6초점을 제외하고는 비교적 비슷한 수치가 나타났다. 3번째 표적은 6초점 4 MHz에서 왜곡도 및 SNR 결과값이 우수하게 나타났으며, DR 98에서 가장 낮은 왜곡도와 높은 SNR 값이 나타났다.
- 2번째 표적은 6초점 3, 4 MHz에서 낮은 왜곡도와 높은 SNR 결과값으로, 6초점을 제외하고는 비교적 비슷한 수치가 나타났다. 3번째 표적은 6초점 4 MHz에서 왜곡도 및 SNR 결과값이 우수하게 나타났으며, DR 98에서 가장 낮은 왜곡도와 높은 SNR 값이 나타났다. Fig.
- 4번째 표적은 DR 98에서 총 11장의 영상이 Cut- off 값을 충족하였고 6초점 4 MHz에서 4개의 영상이 충족하였다.
- 5/6번째 표적은 DR 98에서 9개 이상이 Cut-off 값을 충족하였고, 4초점 하모닉 4.5 MHz, 6초점 3, 4 MHz에서 비교적 많은 영상이 Cut-off 값을 만족하였다. 5번째 표적은 6초점 2 MHz, 하모닉 4 MHz에서 많은 영상이 Cut-off 값을 충족하였다.
- 5 MHz, 6초점 3, 4 MHz에서 비교적 많은 영상이 Cut-off 값을 만족하였다. 5번째 표적은 6초점 2 MHz, 하모닉 4 MHz에서 많은 영상이 Cut-off 값을 충족하였다.
- 5번째 표적은 DR 88에서 가장 많은 Cut-off 값을 충족하였고, 6번째 표적은 DR 88, 98에서 10개 이상의 영상이 Cut-off 값을 충족하였다. 두 표적 모두 다른 초점 수에 비해 6초점에서 많은 Cut-off 값을 충족하였지만, 5번째 표적은 기본 주파수(2, 3, 4 MHz), 6번째 표적은 하모닉주파수(3, 4, 4.
- 3번째와 6번째-8번째 표적은 DR 98일 때 가장 많은 영상이 동시에 Cut-off 값을 충족하였다. 6번째 표적은 6초점에서 많은 영상이 Cut-off 값을 만족하였으며 7번째, 8번째 표적은 4초점 4 MHz에서 비교적 많은 수의 영상이 Cut-off 값을 만족하였다. 그러나 8번째 표적은 총 10개의 영상만이 Cut-off 값을 충족하는 것으로 나타났다.
- 결과는 총 85장의 영상에서 다음과 같이 나타났다. 6초점, 4초점에서는 낮은 왜곡도와 높은 SNR 값을 보였으며, 초점 개수가 증가할수록 영상의 품질이 우수한 경향을 보였다. 주파수 4 MHz는 낮은 왜곡도와 높은 SNR 결과값을 보였지만, 주파수 별 결과값의 차이가 크지 않았다.
- 7/8번째 표적은 4초점 4 MHz에서 4개의 영상이 Cut-off 값을 충족하였고 두 표적 모두 DR 98에서 14개 이상 만족하였으며, 8번째 표적은 DR 88에서 9개의 Cut-off 값이 충족하는 것으로 나타났다.
- 7/8번째 표적은 DR 98에서 8개 이상으로 가장 많이 Cut-off 값을 충족하였고, 2초점 하모닉 4.5 MHz, 4초점 4 MHz, 하모닉 4.5 MHz에서 비교적 많은 영상이 Cut-off 값을 만족하였다. 8번째 표적은 2초점 4 MHz에서도 모든 영상이 Cut-off 값을 만족하였다.
- 8번째 표적은 4초점 4 MHz의 DR 68-98 범위에서 낮은 왜곡도, 높은 SNR 결과값을 보였다. 그 중 DR 98에서 가장 우수한 결과값이 나타났고, 2초점 4 MHz, 하모닉 4.
- Fig. 3에서 1번째 표적은 낮은 왜곡도, 높은 SNR의 초음파 영상 파라미터의 조건은 4초점, 4 MHz, DR 88과 6초점, 3 MHz, DR 68로 나타났으며, 2초점, 4 MHz에서 눈에 띄게 낮은 왜곡도 결과가 나타났다. 2번째 표적은 6초점 3, 4 MHz에서 낮은 왜곡도와 높은 SNR 결과값으로, 6초점을 제외하고는 비교적 비슷한 수치가 나타났다.
- 3번째 표적은 6초점 4 MHz에서 왜곡도 및 SNR 결과값이 우수하게 나타났으며, DR 98에서 가장 낮은 왜곡도와 높은 SNR 값이 나타났다. Fig. 4에서 4번째 표적은 6초점 4 MHz, 하모닉 4 MHz의 DR 68-98 범위에서 왜곡도 및 SNR 결과값이 다소 우수하게 나타났다. Fig.
- Fig. 6에서 6번째 표적은 4 MHz, 하모닉 주파수 (3,4, 4.5 MHz)의 DR 98에서 낮은 왜곡도, 높은 SNR 값이 나타났으며, 특히, 4 MHz에서 가장 우수한 결과값이 나타났다. Fig.
- 5 MHz)의 DR 98에서 낮은 왜곡도, 높은 SNR 값이 나타났으며, 특히, 4 MHz에서 가장 우수한 결과값이 나타났다. Fig. 7에서 7번째 표적은 4초점 4 MHz, 하모닉 4.5 MHz 의 DR 98에서 낮은 왜곡도, 높은 SNR 값이 나타났으며, 4초점 4 MHz에서 가장 우수한 결과값이 나타났다. 특히 2초점 하모닉 4.
- 검사부위는 복부(간, 담낭, 췌장, 비장, 신장)에서 혈관계까지 다양한 적응증의 질병 양상을 위한 진단에 많이 이용하고 있다.[1] 초음파영상을 이용한 진단사례의 비중이 높은 만큼 그에 따른 진단율 또한 높은 것이 바람직하나, 영상획득 이후 판독 시 초음파영상 평가의 기준이 없어 판독자마다 다양한 소견을 제시 할 가능성이 있으며, 미세병변 검출이나 조기 진단율에서 낮은 성적을 보이고 있다.[1,2]
- 주파수 4 MHz는 낮은 왜곡도와 높은 SNR 결과값을 보였지만, 주파수 별 결과값의 차이가 크지 않았다. 그리고 실험 주파수 범위 내에서 DR 88, 98에서는 낮은 왜곡도와 높은 SNR 결과값을, DR이 증가할수록 품질이 우수한 영상을 얻을 수 있었다.
- 5번째 표적은 DR 88에서 가장 많은 Cut-off 값을 충족하였고, 6번째 표적은 DR 88, 98에서 10개 이상의 영상이 Cut-off 값을 충족하였다. 두 표적 모두 다른 초점 수에 비해 6초점에서 많은 Cut-off 값을 충족하였지만, 5번째 표적은 기본 주파수(2, 3, 4 MHz), 6번째 표적은 하모닉주파수(3, 4, 4.5 MHz)에서 Cut-off 값을 만족하는 것으로 나타났다.
- 질병에서 초음파 영상의 진단율을 높이기 위해서 영상의 품질 평가에서 적절한 기준과 지침이 필요하다. 초음파 진단 장비의 적합한 영상 평가로서 팬텀 평가의 가장 큰 장점은 시간과 공간의 제약 없이 일정한 조건에서 영상 진단 장치에 대한 결과 데이터를 얻을 수 있다. 그리고 환자를 대상으로 한다면 환자의 상태 변화에 따라 영상 데이터의 오차가 발생하며, 팬텀 영상은 정상 조건에서 항상 일정한 영상을 획득 가능하다.
- 초음파영상에서 장비의 파라미터 변화에서 따른 영상의 품질 기준을 가장 크게 좌우하는 것은 주파수 범위 내에서는 DR이며, 기존 주파수(2, 3, 4 MHz)보다 하모닉 주파수(3, 4, 4.5 MHz)에서 SNR 결과값이 현저히 높게 나타났고 동시에 높은 왜곡도를 보였다.
후속연구
- 본 연구에서는 신호의 히스토그램 분석에서 초음파영상 배경영역의 히스토그램 분포를 제외한 면적당 픽셀수 측정을 기반으로 왜곡도 기준의 객관적인 평가 방법을 제시하고 있다. 그러므로 측정 결과값을 참고한다면 초음파 영상을 이용한 환자 진단에서 정확한 초음파영상 획득에 기여할 것이다. 그러나 실험과정에서 ROI 픽셀수 256개로 설정하였고, 높은 SNR 결과값을 위한 정량적인 해석으로서 한계가 있었다.
- 그러나 실험과정에서 ROI 픽셀수 256개로 설정하였고, 높은 SNR 결과값을 위한 정량적인 해석으로서 한계가 있었다. 또한 실험에서 사용된 장비가 특정 회사의 파라미터로서 조절 가능한 변화폭이 좁아 모든 장비에서의 응용에는 제한점이 있다.
- 초음파영상의 품질 평가에서 정량적인 신호 및 왜곡도 평가방법은 현재 실험적인 단계이므로, 보다 더 신뢰도 있는 평가 방법의 기준에 대한 연구가 진행되어야 할 것이며, 더 다양한 장비와 파라미터 조건을 이용한 향후 연구의 필요성이 사료된다.
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