[논문]모사 지방간 팬텀을 활용한 초음파영상에서 지방간 정량화 진단 기술 개발을 위한 연구

임예지; 유승만

doi:10.7742/jksr.2024.18.2.135

모사 지방간 팬텀을 활용한 초음파영상에서 지방간 정량화 진단 기술 개발을 위한 연구
A Study of the Development for Fatty Liver Quantification Diagnostic Technology from Ultrasound Images using a Simulated Fatty Liver Phantom 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.18 no.2, 2024년, pp.135 - 144

임예지 (전주대학교 방사선학과) , 유승만 (전주대학교 방사선학과)

초록
AI-Helper

초음파 영상 검사는 지방간 정량화에 제한점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 가상 지방간 팬텀을 통해 지방간 함량을 초음파 주행 과정에서의 신호 감쇠 변화가 정량화가 가능한지를 실험적으로 입증하고자 하고자 하였다. 또한 초음파 영상에서의 지방 함량과 신호 강도의 관계를 분석하여 초음파를 통한 지방간 진단에 대한 가능성을 평가하고자 하였다. 본 연구에서는 물과 기름을 균질하게 혼합하여 총 5개의 가상 지방간 팬텀을 개발했다. 자기공명영상과 초음파 영상을 사용하여 팬텀의 지방 함량을 확인하고 초음파 영상에서 거리에 따른 신호 강도를 측정하였다. 이후 지방 함량과 신호 강도 간의 상관관계를 분석과 평균비교를 수행하였다. 초음파 영상에서는 지방의 함량이 높아짐에 따라 초음파의 투과 강도가 감소하는 현상을 확인하였으며, 이를 통해 초음파를 사용하여 지방간의 함량을 정량화할 가능성을 확인하였다. 또한 자기공명영상으로 측정한 지방 함량과 초음파 영상에서 측정한 신호 강도 간 높은 상관관계를 보였다. 본 연구에서는 지방의 함량이 높아질수록 초음파 영상의 초음파 주행 과정에서 신호를 표현한 기울기(US-GRE)값이 점점 작아지는 것을 통계적으로 확인하였으며 US-GRE는 지방간 함량을 표현하는 생체 마커(biomarker)로서 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ultrasonography examination has limitations in quantifying hepatic fat quantification. Therefore, this study aimed to experimentally demonstrate whether changes in signal attenuation during ultrasound imaging can be quantified using simulated hepatic phantoms to assess hepatic fat content. Additionally, we aimed to evaluate the potential of ultrasound imaging for diagnosing hepatic fatty liver by analyzing the relationship between hepatic fat content and signal intensity in ultrasound images. In this study, we developed a total of five stimulated hepatic phantoms by homogeneously mixing water and oil. We confirmed the fat content of the phantoms using magnetic resonance imaging (MRI) and ultrasound imaging, and measured signal intensity according to distance in ultrasound images to analyze the correlation and mean comparison between fat content and signal intensity. We observed that as the fat content increased, the ultrasound penetration intensity decreased, confirming the potential for quantifying hepatic fat content using ultrasound. Additionally, the analysis of the correlation between the measured fat content using MRI and the signal intensity measured in ultrasound images showed a high correlation. Statistical analysis in our study confirmed that as the fat content increased, the slope representing signal during ultrasound imaging (US-GRE) decreased. In this study, it was statistically confirmed that the US-GRE value of ultrasound images gradually decreases as the fat content increases, and it is believed that US-GRE can serve as a biomarker expressing fatty liver content.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Ultrasound data acquisition process and magnetic resonance 6-point Dixon imaging of simulated fatty liver phantom. (a) Acquisition of ultrasound images of simulated fatty liver phantom, (b) Ultrasound imaging of a 3% water-oil phantom, (c) 6-point Dixon MRI, the left is fat only image and right is fat percentage image.
표 Table 1. Average value and coefficient of determination of US-GRE according to dynamic range of oil/water
그림 Fig. 2. Average change graph of US-GRE for each oil/water phantom by the dynamic range of ultrasonography.
그림 Fig. 3. Correlation analysis between magnetic resonance Dixon fat percentage and US-GRE values. (a) dynamic range 100, (b) dynamic range 150, (c) dynamic range 200.
표 Table 2. Average value and coefficient of determination of US-GRE according to dynamic range of oil/water

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 연구에서는 가상 지방간 팬텀을 통해 지방간 함량을 초음파 주행 과정에서의 신호 감쇠 변화가 정량화가 가능한지를 실험적으로 입증하고자 하였다.

제안 방법

이러한 현상은 지방의 침착이 높을수록 크게 나타나기 때문에 지방의 침착이 높을수록 깊이에 따라서 점점 어두이지는 현상이 발생하게 된다. 따라서 우리는 지방을 표현하는 soybean oil을 이용하여 지방과 물을 적당히 혼합하여 가상의 지방간 팬텀을 제작하였다. Soybean oil의 경우 상온에서 액체 상태로 존재한다.
초음파영상의 물리적 정의로 감쇠 계수가 있는데 이것은 음파가 매질을 통과할 때 길이 당 음의 감쇠(db/cm)로 정의하게 된다. 본 연구에서 지방의 반사로 인해 투과되는 초음파가 다음 깊이에서 영상화 역할을 하게 되어 지방의 함량이 높아짐에 따라서 초음파의 감쇠 현상을 기초로 한다. 이러한 현상은 지방의 침착이 높을수록 크게 나타나기 때문에 지방의 침착이 높을수록 깊이에 따라서 점점 어두이지는 현상이 발생하게 된다.
초음파영상으로 획득된 거리에 따른 기울기의 정보(ultrasound progress decay gradient; US-GRE)가 지방의 함량에 따른 변화가 있는지를 평가하기 위해서 지방 함량 별 팬텀의 기울기와의 값과의 평균 비교를 수행하였다. 팬텀의 기름/물의 함량을 그룹으로 하여 각 백분율(%)에 따른 기울기의 변화를 동적범위(dynamic range)의 변화와 함께 관찰하였다. 평균 비교는 지방 백분율 차이와 DR 변화에 따른 평균 차이를 수행하였으며 SPSS software version 20.
실험 중 팬텀 제작 과정에서 물과 기름이 적절히 혼합되도록 교반 과정을 충실히 수행하였다. 하지만 물과 기름이 잘 섞이지 않는 극성/비극성 화학적 특성으로 이것을 극복하기 위해서 우리는 다양한 깊이에서 기울기를 측정하고 지방 백분율(%)에 대한 기울기를 측정하였다. 그 차이를 보았을 때 DR100의 경우 soybean의 함량이 증가함에 따라서 기울기의 변화가 통계적으로 유의하게 발생하는 것을 우리는 확인하였다.

대상 데이터

DR 100의 경우 7개, DR150은 10개, DR200은 8개의 데이터로 분석을 진행하였다. DR100(Fig.

데이터처리

Table 1은 DR에 따른 깊이에서의 평균값을 표현한 것이다. 각 백분율(%) 별 데이터는 0mm부터 35mm 깊이로 총 8개의 데이터를 평균 비교하였다. DR 100(Fig.
0으로 각 paired t-test를 진행하였다. 또한 자기공명영상으로 획득한 물-기름 백분율(%)과 US-GRE 간 Pearson 상관 분석을 각각 수행하였다.
초음파영상으로 획득된 거리에 따른 기울기의 정보(ultrasound progress decay gradient; US-GRE)가 지방의 함량에 따른 변화가 있는지를 평가하기 위해서 지방 함량 별 팬텀의 기울기와의 값과의 평균 비교를 수행하였다. 팬텀의 기름/물의 함량을 그룹으로 하여 각 백분율(%)에 따른 기울기의 변화를 동적범위(dynamic range)의 변화와 함께 관찰하였다.
팬텀의 기름/물의 함량을 그룹으로 하여 각 백분율(%)에 따른 기울기의 변화를 동적범위(dynamic range)의 변화와 함께 관찰하였다. 평균 비교는 지방 백분율 차이와 DR 변화에 따른 평균 차이를 수행하였으며 SPSS software version 20.0으로 각 paired t-test를 진행하였다. 또한 자기공명영상으로 획득한 물-기름 백분율(%)과 US-GRE 간 Pearson 상관 분석을 각각 수행하였다.

성능/효과

DR 100(Fig. 2-(a))에서 통계적으로 유의미한 결과를 보인 대응 그룹은 0와3%, 0와15%, 0와 21%, 3과 21%, 9와 21% 간 평균 차이가 있었다. DR150(Fig.
그 차이를 보았을 때 DR100의 경우 soybean의 함량이 증가함에 따라서 기울기의 변화가 통계적으로 유의하게 발생하는 것을 우리는 확인하였다. DR100영상에서 0와3%, 0와15%, 0와 21%, 3과 21%, 9와 21% 간의 평균 차이가 존재하였으며 지방의 함량이 증가함에 따라 US-GRE의 변화가 더 작아지는 것을 우리는 확인하였다. 이러한 경향은 DR150, DR200에서도 같게 발생하였다.
결론적으로 본 연구에서는 지방의 함량이 높아질수록 초음파영상의 US-GRE 값이 점점 작아지는 것을 통계적으로 확인하였으며 US-GRE는 지방간 함량을 표현하는 생체 마커(biomarker)로서 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.
하지만 물과 기름이 잘 섞이지 않는 극성/비극성 화학적 특성으로 이것을 극복하기 위해서 우리는 다양한 깊이에서 기울기를 측정하고 지방 백분율(%)에 대한 기울기를 측정하였다. 그 차이를 보았을 때 DR100의 경우 soybean의 함량이 증가함에 따라서 기울기의 변화가 통계적으로 유의하게 발생하는 것을 우리는 확인하였다. DR100영상에서 0와3%, 0와15%, 0와 21%, 3과 21%, 9와 21% 간의 평균 차이가 존재하였으며 지방의 함량이 증가함에 따라 US-GRE의 변화가 더 작아지는 것을 우리는 확인하였다.
2-(d)의 그래프는 팬텀 3가지 동적범위를 적용한 전체 US-GRE의 값의 평균을 지방 간의 %로 표현한 것이다. 그래프에서 보는 바와 같이 US-GRE의 값은 DR이 낮은 초음파 US-GRE의 값의 변화가 지방의 함량에 따라서 급속히 변화되긴 하나, 각 DR에서 평균값으로 그래프를 표현한다면 지방 백분율(%)이 높아짐에 따른 특정 패턴을 확인할 수 있다. 따라서 이러한 패턴의 기울기 정보 또한 정량화를 표현하는 정보제공의 역할이 가능하므로 다양한 DR에서의 US-GRE의 값은 보완적인 데이터로서 역할 할 수 있다.
9이상의 높은 상관관계를 보인다. 높은 상관관계를 보인 초음파 데이터는 DR100의 US-GRE과 DR200으로 나타났다. 비록 자기공명영상의 횡단면(cross axial) 에서 균질한 신호 강도를 보이는 영상만을 대상으로 상관 분석을 수행하였기에 표본수 면에서 DR100의 US-GRE는 7개, DR150의 US-GRE는 10개, DR200은 8개의 한계가 있다.
따라서 적은 표본 수로 더 신뢰성 있는 데이터 확보가 필요하다는 제한점을 가지고 있지만 우리가 획득한 표본 내에서는 높은 상관계수를 보였다. 더욱이 DR100의 US-GRE의 liner regression을 통한 데이터 기울기 값은 DR100, 150, 200의 US-GRE 값이 큰 순서로 표현되었다. 이는 낮은 지방의 함량과 높은 지방 함량에 따른 기울기의 범위가 높다는 것을 의미한다.
그래프에서 보는 바와 같이 US-GRE의 값은 DR이 낮은 초음파 US-GRE의 값의 변화가 지방의 함량에 따라서 급속히 변화되긴 하나, 각 DR에서 평균값으로 그래프를 표현한다면 지방 백분율(%)이 높아짐에 따른 특정 패턴을 확인할 수 있다. 따라서 이러한 패턴의 기울기 정보 또한 정량화를 표현하는 정보제공의 역할이 가능하므로 다양한 DR에서의 US-GRE의 값은 보완적인 데이터로서 역할 할 수 있다.
비록 자기공명영상의 횡단면(cross axial) 에서 균질한 신호 강도를 보이는 영상만을 대상으로 상관 분석을 수행하였기에 표본수 면에서 DR100의 US-GRE는 7개, DR150의 US-GRE는 10개, DR200은 8개의 한계가 있다. 따라서 적은 표본 수로 더 신뢰성 있는 데이터 확보가 필요하다는 제한점을 가지고 있지만 우리가 획득한 표본 내에서는 높은 상관계수를 보였다. 더욱이 DR100의 US-GRE의 liner regression을 통한 데이터 기울기 값은 DR100, 150, 200의 US-GRE 값이 큰 순서로 표현되었다.
즉 지방의 초음파영상에서 지방의 함량을 정량화 가능성으로 US-GRE가 그 역할을 할 수 있다는 것을 의미한다. 또한 이러한 기울기는 DR이 높아짐에 따라 그 기울기의 값이 낮아졌다. 단순히 지방의 함량의 차이를 잘 표현하는 영상 기법은 낮은 동적범위(dynamic range)의 영상에서 표현한다고 할 수 있다.
그런데도 본 연구에서 지방 함량의 변화에 따라 우리가 목적으로 하는 물리적 현상의 변화가 발생한다면 인체 내 고체로 존재하는 지방의 특성에서는 더 확실한 물리적 특성이 발생할 것이라고 우리는 판단하였다. 실험 중 팬텀 제작 과정에서 물과 기름이 적절히 혼합되도록 교반 과정을 충실히 수행하였다. 하지만 물과 기름이 잘 섞이지 않는 극성/비극성 화학적 특성으로 이것을 극복하기 위해서 우리는 다양한 깊이에서 기울기를 측정하고 지방 백분율(%)에 대한 기울기를 측정하였다.
DR은 영상의 회색 음영 단계를 결정하는 요인으로 그 범위가 좁은 DR100의 경우 그 기울기가 크게 나타나게 된다. 우리는 애초 지방의 함량이 있는 팬텀에서는 초음파의 음향 음영으로 인해 음성(-) 기울기를 보일 것으로 예상하였다. 초음파의 물리 현상에서 초음파의 진행 과정에서 흡수로 인해서 후방으로 갈면 갈수록 음향 음영의 현상이 발생하기 때문이다.
자기공명영상으로 획득한 지방간 백분율 정보(fat fraction)과 US-GRE간의 상관 분석을 살펴보면 DR100과 DR200에서 0.9이상의 높은 상관관계를 보인다. 높은 상관관계를 보인 초음파 데이터는 DR100의 US-GRE과 DR200으로 나타났다.
자기공명영상의 지방 함량 율(fat percentage) 데이터는 지방 최소 함량을 보이는 3% 팬텀부터 결과를 도출하였으며 초음파영상에서 깊이에 따른 선형회귀의 결정계수(r2)가 0.7 이상만을 대상으로 결과를 도출하였다. 자기공명의 참고 지방 함량의 범위는 4.
7 이상만을 대상으로 결과를 도출하였다. 자기공명의 참고 지방 함량의 범위는 4.34%-19.82%의 범위의 지방 함량을 보이는 결과를 보였으며 여기에 해당 되는 기울기의 범위는 표1에 정리하였다.
이러한 경향은 DR150, DR200에서도 같게 발생하였다. 즉 지방의 초음파영상에서 지방의 함량을 정량화 가능성으로 US-GRE가 그 역할을 할 수 있다는 것을 의미한다. 또한 이러한 기울기는 DR이 높아짐에 따라 그 기울기의 값이 낮아졌다.
하지만 DR 150, 200의 영상의 US-GRE 값 또한 지방 함량의 변화에 따라서 그 기울기가 감소하였으며 더욱이 통계적으로 유의미하게 변화한다. 특히 0%와 높은 지방 함량을 보이는 가상 지방간 팬텀 간의 평균값의 변화는 더욱 뚜렷한 유의미한 결과를 보인다. Fig.
단순히 지방의 함량의 차이를 잘 표현하는 영상 기법은 낮은 동적범위(dynamic range)의 영상에서 표현한다고 할 수 있다. 하지만 DR 150, 200의 영상의 US-GRE 값 또한 지방 함량의 변화에 따라서 그 기울기가 감소하였으며 더욱이 통계적으로 유의미하게 변화한다. 특히 0%와 높은 지방 함량을 보이는 가상 지방간 팬텀 간의 평균값의 변화는 더욱 뚜렷한 유의미한 결과를 보인다.

후속연구

하지만 본 연구에서 몇 가지 제한점을 말하자면 첫째로 본 연구에서 자기공명영상을 통해 지방의 정량화를 구연하는 실험적 표본의 개수가 부족하여 더 높은 객관성을 확보할 추가적인 실험이 요구된다. 둘째로 지방의 함량의 차이가 큰 팬텀 간의 US-GRE는 통계적으로 유의미한 차이를 보이고 있지만 낮은 지방 함량 간에는 유의미한 차이가 발생하지 않아 더 정밀한 지방 함량을 표현하기 위한 노력이 필요하다.
높은 상관관계를 보인 초음파 데이터는 DR100의 US-GRE과 DR200으로 나타났다. 비록 자기공명영상의 횡단면(cross axial) 에서 균질한 신호 강도를 보이는 영상만을 대상으로 상관 분석을 수행하였기에 표본수 면에서 DR100의 US-GRE는 7개, DR150의 US-GRE는 10개, DR200은 8개의 한계가 있다. 따라서 적은 표본 수로 더 신뢰성 있는 데이터 확보가 필요하다는 제한점을 가지고 있지만 우리가 획득한 표본 내에서는 높은 상관계수를 보였다.
하지만 본 연구에서 몇 가지 제한점을 말하자면 첫째로 본 연구에서 자기공명영상을 통해 지방의 정량화를 구연하는 실험적 표본의 개수가 부족하여 더 높은 객관성을 확보할 추가적인 실험이 요구된다. 둘째로 지방의 함량의 차이가 큰 팬텀 간의 US-GRE는 통계적으로 유의미한 차이를 보이고 있지만 낮은 지방 함량 간에는 유의미한 차이가 발생하지 않아 더 정밀한 지방 함량을 표현하기 위한 노력이 필요하다.

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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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