[논문]초음파 Tissue Mimicking 팬텀의 제작과 온도 변화에 따른 영상 특성 변화 관찰

마상철

doi:10.17946/jrst.2016.39.2.04

초음파 Tissue Mimicking 팬텀의 제작과 온도 변화에 따른 영상 특성 변화 관찰
Manufacture and Image Characteristic Changes Observation by Temperature of Ultrasound Tissue Mimicking Phantom 원문보기

방사선기술과학 = Journal of radiological science and technology, v.39 no.2, 2016년, pp.157 - 161

마상철 (신한대학교 방사선학과)

초록
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본 연구에서는 자체 제작한 3종의 초음파 TM 팬텀의 음향학적 특성 및 온도 민감도를 측정하였으며, 초음파 영상학적 특성을 관찰, 평가하였다. TM 팬텀은 폴리우레탄을 주재료로 국제전기표준회의(International Electronical Committee, IEC) 기준안에 따라 제작하였으며 외부 온도 변화 따른 초음파 영상학적 특성은 $22^{\circ}C$ 이하에서 온도감소에 따라 휘도 및 영상투과심도가 비례하여 감소하는 것이 확인되었다. 본 연구를 통하여 산란재 특성이 상이한 TM 팬텀을 제작하는 기초자료를 제공하였으며, TM 팬텀의 사용 온도는 $22^{\circ}C$ 이상에서 사용하는 것이 적합한 것으로 판단되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is that in measures the acoustic propagate characteristics and temperature sensitivity of ultrasound tissue mimicking phantom(TM phantom). TM phantom manufacture according to the International Electronical Committee(IEC) guidelines for acoustic propagate characteristics of soft tissue. TM phantom was observed to have the image brightness and the image depth penetration decreases changes convergence which was the subject of ultrasound image characteristics in accordance with an external temperature that the change is reduced in temperature below $22^{\circ}C$. This study provide a basis t o create another TM Phantom and TM Phantom has been determined that it is appropriate for use in more than $22^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 TM 팬텀이 외부 환경 변화에 따라 영상학적 특성 변화가 야기됨을 고려하여, IEC 기준안에 따라 산란재 특성이 상이한 TM 팬텀 3종을 제작하여 음향학적 특성과 온도변화에 따른 영상학적 특성 변화를 관찰하였다. 이를 통해 조직모사물질의 음속, 임피던스, 감쇠계수 등의 음향 전달 특성과 휘도, 영상투과심도 등의 영상학적 특성을 고찰하였다.
본 연구에서는 폴리우레탄을 기반으로 산란재 특성이 다른 3종의 TM 팬텀을 제작하여 초음파전달 특성과 온도변화에 따른 영상학적 특성 변화를 관찰하였다. 제작한 TM 팬텀은 초음파 조사에 대한 인체 연부조직의 모사물질로 국제전기표준회의(International Electronical Committee, IEC) 음향전달 특성인 음속 1,540 m/s±5%, 밀도 1050 kg/cm³, 감쇠계수 1.
이에 본 연구에서는 기존의 폴리우레탄을 주재료로 흑연분말 산란재에 의해 합성 제작하여 사용하는 TM 팬텀이 주변 환경에 따라 물리․화학적 특성 변화가 야기됨을 고려하여, 산란재 특성이 상이한 3종의 TM 팬텀을 자체 제작하여 음향학적 특성을 분석함은 물론, 물리적 외부온도변화에 따른 휘도와 영상투과심도를 측정하여 특성을 평가하였다.

제안 방법

이 때 주재료와 폴리에테르폴리올(polyetherpolyol)의 양이 경화시간을 결정하므로 폴리우레탄의 경도를 일정하게 유지하였다. TM 팬텀 3종의 반향 균질성은 인체 간과 유사한 에코양상을 유지하기 위해 산란재는 각각 PE 분말, CPP, 활석분말(talc powder) 등을 사용하였으며, 크기는 5~20 ㎛, 용량은 5%로 조절하여 합성하였다. 합성한 TM 물질은 8×20 cm 프라스틱 원통에 충전하였다.
5 MHz convex probe(Hitachi-Aloka medical, Japan)를 사용하였으며 파라미터는 출력 95, 게인 80, 동적영역 100dB, 시간게인보상과 초점 고정 등의 동일조건 하에 주사하였다. TM 팬텀의 온도는 팬텀에 부착한 막대스틱형디지털온도계로 측정하였으며 온도변화의 범위는 14℃부터 31℃로 하였다.
TM 팬텀의 음향학적 특성 분석은 수침식 투과스펙트럼 방식을 이용하여 감쇠계수를 측정하였고 주파수 의존 특성은 주파수 구간에 대해 비 감쇠계수 및 거듭제곱에 대한 분석 결과를 바탕으로 3종 TM 팬텀에 대한 조직모사물질로서의 사용 가능한 범위를 분석하였다⁷⁾. 이들 팬텀에 대한 영상학적 분석은 휘도측정 소프트웨어 프로그램을 사용하여 온도변화에 따른 휘도와 영상투과심도를 측정하였다.
. 이들 팬텀에 대한 영상학적 분석은 휘도측정 소프트웨어 프로그램을 사용하여 온도변화에 따른 휘도와 영상투과심도를 측정하였다. 휘도는 영상 깊이 2~5 cm 구간에서 관심구역은 640*480으로 측정하였고, 영상투과심도는 휘도값 30을 기준으로 변환 감소하는 깊이를 측정하여 평가하였다.
본 연구에서는 TM 팬텀이 외부 환경 변화에 따라 영상학적 특성 변화가 야기됨을 고려하여, IEC 기준안에 따라 산란재 특성이 상이한 TM 팬텀 3종을 제작하여 음향학적 특성과 온도변화에 따른 영상학적 특성 변화를 관찰하였다. 이를 통해 조직모사물질의 음속, 임피던스, 감쇠계수 등의 음향 전달 특성과 휘도, 영상투과심도 등의 영상학적 특성을 고찰하였다. TM 팬텀 3종의 음향학적 특성은 평균음속 1490±3 m/s, 임피던스 1.
초음파 영상습득은 ALOKA prosound α6, 3.5 MHz convex probe(Hitachi-Aloka medical, Japan)를 사용하였으며 파라미터는 출력 95, 게인 80, 동적영역 100dB, 시간게인보상과 초점 고정 등의 동일조건 하에 주사하였다.
이들 팬텀에 대한 영상학적 분석은 휘도측정 소프트웨어 프로그램을 사용하여 온도변화에 따른 휘도와 영상투과심도를 측정하였다. 휘도는 영상 깊이 2~5 cm 구간에서 관심구역은 640*480으로 측정하였고, 영상투과심도는 휘도값 30을 기준으로 변환 감소하는 깊이를 측정하여 평가하였다. 이 휘도값은 시각적으로 휘도가 급격히 감소하는 임의의 값이다.

대상 데이터

제작한 TM 팬텀은 초음파 조사에 대한 인체 연부조직의 모사물질로 국제전기표준회의(International Electronical Committee, IEC) 음향전달 특성인 음속 1,540 m/s±5%, 밀도 1050 kg/cm3, 감쇠계수 1.5~1.7 dB/cm/3MHz, 음향임피던스 1.6 Rayls와 일치하게 하였다.

성능/효과

TM 팬텀 3종의 감쇠계수는 주파수가 증가함에 따라 비례하여 증가하였으며 3.05MHz에서 1.52~1.57 dB/cm 범위로 나타나 IEC 기준안에 수렴하는 것을 확인하였다. 감쇠계수는 산란재 양이 증가할수록 증가하며 감쇠계수의 증가는 영상투과심도를 감소시킨다¹¹⁾.
TM 팬텀 3종의 음향학적 특성은 평균음속 1490±3 m/s, 임피던스 1.62~1.63 Rayls, 감쇠계수 1.52~1.57 dB/cm/3.05MHz로써 IEC 기준 범위 이내로 나타나 유용성을 확인할 수 있었으며, 온도 변화에 의한 영상학적 변화는 22℃를 변곡점으로 온도감소에 따라 휘도와 영상투과심도가 비례하여 감소하는 것을 확인하였다.
영상투과심도는 온도의 증가에 따라 TM 팬텀 3종 모두 선형적으로 비례하여 증가하였다. TM 팬텀별로 영상투과심도는 약간의 차이를 보이고 있으나 유효할 정도의 변화는 나타나지 않았으며, 23℃ 이상에서 투과심도는 15 cm로 동일한 양상을 보였다.
TM 팬텀별로 영상투과심도는 약간의 차이를 보이고 있으나 유효할 정도의 변화는 나타나지 않았으며, 23℃ 이상에서 투과심도는 15 cm로 동일한 양상을 보였다. 이러한 결과로 볼 때 TM 팬텀의 영상투과심도는 상온 이하에서 민감한 변화를 보이며, 이러한 온도의 변화는 산란재 보다 주재료에 의해 결정되는 것으로 판단되었다. 한편, 영상 휘도는 온도의 증가에 따라 선형적으로 비례하여 증가하였으며, 22℃ 이상에서는 유사한 휘도분포가 유지되었다.
한편, 영상 휘도는 온도의 증가에 따라 선형적으로 비례하여 증가하였으며, 22℃ 이상에서는 유사한 휘도분포가 유지되었다. 이러한 결과를 통하여 온도는 TM 팬텀의 휘도 및 영상투과심도 등의 영상학적 특성에 많은 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었으며, 외부 온도 변화로 TM 팬텀의 온도가 저감됐을 시는 상온에 일정시간 방치 후에 사용해야 할 것으로 판단되었다.
임피던스는 TM 물질의 밀도(kg/cm³)와 음속(m/s)을 곱한 값으로 산란재의 양에 비례하여 증가하는 경향을 보인다¹⁰⁾. 제작한 TM 팬텀 3종의 임피던스는 산란재 특성에 따라 1.62~1.63 Rayls로 나타나 ICE 기준안 1.60 Rayls에 수렴하는 것을 확인하였다. Table 3은 주파수 변화에 따른 TM 팬텀 3종의 감쇠계수를 보여주고 있다.

후속연구

05MHz로써 IEC 기준 범위 이내로 나타나 유용성을 확인할 수 있었으며, 온도 변화에 의한 영상학적 변화는 22℃를 변곡점으로 온도감소에 따라 휘도와 영상투과심도가 비례하여 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 산란재 특성에 따라 다양한 조직모사물질을 제작하는 기초자료로 활용하여 향후 정도관리 팬텀 및 트레이닝 팬텀을 제작하는데 공헌할 수 있을 것으로 판단하며, 휘도와 영상투과심도의 결과 관찰을 통하여 TM 팬텀은 22℃ 이상에서 사용하는 것이 활용도를 높일 것으로 판단된다. 한편 산란재의 종류와 량에 따라 조직모사물질의 특성 변화가 심하여 첨가량에 따른 정량화가 필요할 것으로 보이며, 향후 미세한 에코 차이를 나타내는 산란재를 개발하는 한편 외부 환경의 저항성이 높은 조직모사물질의 합성과 가이드라인에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
이러한 결과는 산란재 특성에 따라 다양한 조직모사물질을 제작하는 기초자료로 활용하여 향후 정도관리 팬텀 및 트레이닝 팬텀을 제작하는데 공헌할 수 있을 것으로 판단하며, 휘도와 영상투과심도의 결과 관찰을 통하여 TM 팬텀은 22℃ 이상에서 사용하는 것이 활용도를 높일 것으로 판단된다. 한편 산란재의 종류와 량에 따라 조직모사물질의 특성 변화가 심하여 첨가량에 따른 정량화가 필요할 것으로 보이며, 향후 미세한 에코 차이를 나타내는 산란재를 개발하는 한편 외부 환경의 저항성이 높은 조직모사물질의 합성과 가이드라인에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TM 물질에는 어떠한 것들이 있는가?	최근에는 초음파의 적용 대상이 늘어나 사용 목적에 따라 다양한 형태와 규격을 갖는 TM 팬텀에 대한 연구가 이루어지고 있다. TM 물질은 대표적으로 아가(agar), 글리세롤(glycerol), 플라스티졸(plastisol), 폴리우레탄(polyurethane, PU) 등에 흑연분말을 합성하여 하이드로겔(hydrogel) 또는 우레탄(urethane) 형태로 제작한다1,2). 이들 물질은 단백질 성분을 포함하고 있어 외부 온도에 민감하여 열성 변화를 갖는다3,4).
	진단용 초음파 팬텀은 무엇으로 분류되는가?	진단용 초음파 팬텀은 정도관리 팬텀(quality assurance phantom)과 트레이닝 팬텀(training phantom)으로 구분한다. 정도관리 팬텀은 초음파진단장치의 항상성을 평가하고, 트레이닝 팬텀은 주사와 생검 연습을 위한 것이다.
	TM 물질의 특징은 무엇인가?	TM 물질은 대표적으로 아가(agar), 글리세롤(glycerol), 플라스티졸(plastisol), 폴리우레탄(polyurethane, PU) 등에 흑연분말을 합성하여 하이드로겔(hydrogel) 또는 우레탄(urethane) 형태로 제작한다1,2). 이들 물질은 단백질 성분을 포함하고 있어 외부 온도에 민감하여 열성 변화를 갖는다3,4). 미국초음파의학회(american institute of ultrasound in medicine)는 진단용 TM 팬텀의 항상성 유지를 위해 전파속도, 감쇠계수, 에코양상 등의 기준을 제시하고 있으며, 정도관리 팬텀 활용에서 휘도와 관련한 균질성과 영상투과심도 등에 대한 측정을 규정하고 있다5,6).

참고문헌 (11)

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M. K. Sun, J. Shieh, C. W. Lo, et al.: Reusable Tissue-mimicking Hydrogel Phantoms for Focused Ultrasound Ablation, Ultrasonics Sonochemistry, 23(1), 401-403, 2015
X. Cheng, H. E. Canavan, M. J. Stein et al.: Surface Chemical and Mechanical Pproperties of Plasmapolymerized N-isopropylacrylamide, Langmuir, 21(17), 7836-7837, 2005
A. F. Prokop, S. Vaezy, M. L. Noble et al.: Polyacrylamide Gel as an Acoustic Coupling Medium for Focused Ultrasound Therapy, Ultrasound in Medicine & Biology, 29(9), 1353-1355, 2003
Betty Bates Tempkin: Ultrasound Scanning Principles and Protocols 3th ed., Sounders, 19, 2009
Zagzebski J A, Madsen E L, Flank G R et al.: A Teaching Phantom for Sonographers, Journal of Clinical Ultrasound, 19, 34-38, 1991
Sang-Chull Ma . Hwa-Sun Kim . Young-Man Ann, The Study on Ultrasound Physical Characteristic and Synthesis of Tissue Mimicking Materials Used New Materials, Journal of Radiological Science and Technology, 39(3), 245-252, 2010
Goodsitt: Real time B-mode Ultrasound Quality Control Test Procedures, Med. Phys, 25(8), 1998
A. Jensen: A Model for the Propagation and Scattering of Ultrasound in Tissue, Acoust. Soc. Am, 89, 182-191, 1991

상세보기
R. Ortega, A. Tellez, L. Leija et al.: Measurement of Ultrasonic Properties of Muscle and Blood Biological Phantom, Physics Procedia, 3(1), 630-633, 2009
Sang-Chull Ma . Young-Kun Kong . Young-Man Ann, The Study on Development and Characteristic of Ultrasound Biopsy Training Phantom of Breast, Journal of Radiological Science and Technology, 26(3), 19-24, 2003

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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