Ⅰ서 론
우리나라 사람들도 서구화된 식습관 등으로 인해 심혈관 계 질환이 늘어나고 있다. 이에 따라 혈관 도플러 초음파 검 사가 증가하고 있다. 초음파 검사에 있어서 화질은 검사결 과에 많은 영향을 미친다. 초음파 검사에 있어서 화질에 영 향을 미치는 중요한 인자로 초음파 프로브를 들 수 있다. Kang et al1), Weigang et al2)는 연구에서 초음파 프로브의 성능에 따라 화질이 변화하고 있는 것을 보여주고 있다. Moore et al3)의 연구에 의하면 초음파 장비의 결함이 발생 하는 유형 중에서 프로브가 차지하는 비중이 가장 크다. 따 라서 초음파 검사에 있어서 프로브의 올바른 관리는 중요하 다. 이를 위해 초음파 화질관리를 위한 초음파 검사 QA (Quality Assurance)는 프로브 관리를 중심으로 수립되어 야 효율적일 것이다. 초음파 프로브에 기반을 둔 초음파 검 사 QA를 수립하기 위해서는 초음파 프로브의 성능이나 결 함이 초음파 화질에 미치는 영향에 대한 선행 연구가 필요 하다.
본 연구는 이러한 배경아래에서 초음파 진단 장치의 핵심 부분인 초음파 프로브 소자의 결함이 도플러 영상에 미치는 영향을 평가하고자 한 것이다. 다양한 형태의 소자결함이 도플러 영상에 미치는 영향에 대해서는 이4,5)의 연구에 의해 서 제시하였다. 이번 연구는 이의 연장선상에서 초음파 프 로브의 소자 결함이 컬러 및 파워 도플러 영상에 어떤 영향 을 미치는가를 중심으로 살펴보고자 한다. 이러한 소자 결 함과 초음파 영상과의 상관관계에 대한 연구는 향후 초음파 프로브에 기초한 초음파 QA를 위한 자료로 활용될 수 있을 것이 때문이다.
Ⅱ실험 내용 및 방법
1실험장비
실험에 사용한 기기로는 초음파 진단기(SA-9900 PRIME, Medison, Korea) 및 선형 초음파 프로브(5-12 MHz Linear Probe)를 사용하였다. 실험의 표준화를 위해 QA용 도플러 팬텀(Gammex 1425A LE Doppler Flow System, GAMMEX Inc., Middleton, WI 53562-0327, USA)을 가지고 실험하였 다. 초음파 프로브 소자의 결함은 초음파 장비 본체에서 프로브 소자로 가는 신호를 단선하여 목적소자의 초음파 송수신이 차단 되도록 만든 특수한 신호 차단 패널4)을 제작하여 구현하였다6).
2실험 방법
컬러도플러는 혈류의 방향이 색으로 표시된다. 본 실험에 서 팬텀의 혈류 방향은 한 방향으로 설정하여 혈류의 방향 에 따른 색조 변화는 고려하지 않았다. 파워도플러는 도플 러 신호의 강도를 영상화 하며 혈류 속도보다는 도플러 변 위를 일으키는 산란체의 수(적혈구)가 많을수록 강한 신호 로 표현된다. 본 실험에서 사용한 팬텀에서 흐르는 반사체 수의 양은 고정하였다. 혈류 방향과 초음파 산란체의 수를 고정한 상태에서 컬러와 파워도플러의 구분은 큰 의미가 없 다. 그렇지만 컬러와 파워 도플러의 영상이 동일하다는 의 미는 아니다7,8).
본 실험에서는 소자 결함이 컬러 및 파워도플러 영상의 색상[도플러 신호의 주파수(도플러 속도) 및 크기(영상의 밝 기)]에 미치는 영향을 관찰하기 위해 팬텀 혈관을 포함하는 컬러 박스 ROI를 설정하였다. 실험에서 팬텀 혈류의 속도는 50cm/sec으로 고정하였다. 팬텀에서 혈관의 위치는 2cm 깊이에 수평으로 위치하며, 선형 프로브를 가지고 실험하였 으므로 경동맥 초음파검사와 동일한 설정을 사용하였다9).
실험은 소자 결함을 점차적으로 증가시키면서 컬러 박스 ROI에 영향을 주기 시작하는 프로브 소자 위치를 파악하였다. 이어서 컬러 박스에 영향을 주는 30번 이후 소자부터 순차적 으로 단선하며 얻은 컬러도플러 영상을 얻었다(Figure 1).
Ⅲ실험 결과 및 토의
1실험 결과
프로브 소자의 결함에 따른 컬러 및 파워도플러 영상의 변화 를 분석하기 위해 혈관을 포함하는 컬러 박스 영역(ROI)을 설정하였다. Figure 2는 팬텀의 혈류 속도를 50cm/sec로 설정 하고, 소자 결함을 점차적으로 증가시키면서 얻은 컬러도플러 영상의 예를 보여준다. 파워도플러의 경우도 Figure으로 보여 주지는 않았지만 컬러도플러와 유사한 것으로 나타났다. Figure 3은 팬텀의 혈류 속도를 50cm/sec로 설정하고, 컬러 박스 ROI에 영향을 주기 시작하는 프로브 소자 30번 이후부터 순차적으로 단선하며 얻은 컬러도플러 영상을 보여준다. Figure 3 a는 소자의 결함이 없을 때, Figure 3 b는 소자 10개가 단선될 때(번호 30-39), Figure 3 c는 소자 20개가 단선될 때(번호 30-49), Figure 3 d는 소자 30개가 단선될 때(번호 30-59)의 경우이다. Figure 4는 동일한 조건에 대해 얻은 파워 도플러의 영상을 보여준다. Figure 3과 Figure 4에서 보여주는 바와 같이 동일한 조건에서 컬러 및 파워도플러 는 프로브 소자의 결함에 따라 유사하게 반응한다. 본 연구에서 는 파워도플러에 대해 분석한 결과를 제시한다.
Figure 5는 프로브 소자결함이 증가함에 따라 혈관 반경 방향 파워도플러 영상의 프로파일이며, Figure 6은 혈관 축 방향으로 파워도플러 영상의 프로파일이다. 여기서 단선된 소자의 수는 번호 30부터 순차적으로 증가하면 단선한 총 소자의 수를 의미한다. Figure 7은 프로브 소자 결함이 없 을 때와 30개의 소자가 단선될 때 얻은 파워도플러 영상에 서 혈류를 포함하는 컬러 박스 ROI에 대한 영상의 히스토그 램을 비교하고 있다. 예상할 수 있듯이, 프로브 소자의 결함 은 파워도플러 영상에서는 낮은 값을 가지는 픽셀 값(즉 영 상에서 어두운 색)의 분포가 상대적으로 증가한다. Figure 8은 팬텀의 혈류 속도를 50cm/sec로 설정하고, 프로브 소 자를 30번부터 순차적으로 단선하며 얻은 파워도플러 영상 에서 컬러 박스 ROI의 총 픽셀 값의 합의 변화를 보여준다. 단선된 소자의 수가 10개 이상이면 파워도플러 영상이 어두 워지고 있음을 관찰할 수 있다.
2토 의
이 연구는 프로브 소자에 결함이 있을 때 도플러 신호의 크기 및 주파수에 미치는 영향을 실험적으로 살펴본 것이 다. 실험 결과 일정 수준 이상의 프로브 소자의 결함은 도플 러 모드에서 활성화 되는 소자군 부근에서 도플러 속도에 영향을 주고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 프로브에 소 자의 결함이 생겼을지라도 결함의 위치가 도플러 활성 소자 군 부근이 아니면 도플러 영상에 영향을 주지 않는다는 것 을 의미한다.
실험 결과 프로브 소자 결함은 그 크기가 클수록 도플러 활동 소자군 중심부에 위치할수록 도플러 영상의 밝기 및 도플러 속도를 크게 감소시키는 것으로 나타났다. 즉 도플 러 활동소자 영역밖에 있는 소자 결함은 도플러 영상에 영 향을 주지 못하고 있다.
Figure 3 및 Figure 4는 컬러 및 파워도플러 영상이 프로 브 소자 결함의 크기 및 위치에 영향을 받고 있는 것을 보여 준다. 소자 결함이 증가함에 따라 주변부부터 신호가 줄어 들기 시작하고 점차적으로 가운데로 소실 부위가 확대된다. 대략 펄스도플러에서 속도 측정에 쓰이는 소자 영역 정도 (약 30개 전 후)에서 Figure 3 d와 Figure 4 d처럼 도플러 영상이 완전히 소실되는 것을 알 수 있다. 프로브 소자의 결 함이 있을 때 파워도플러에서 혈류의 진행 방향과 수직 방 향에 대한 효과는 Figure 5와 Figure 6에서 보여주고 있다. 소자 결함이 증가할수록 혈관의 중앙 부위에서 보다는 주변 부위에서 영향이 먼저 오기 시작하는 것을 알 수 있다. 인접 한 소자 결함이 10개 미만에서는 영상의 변화를 눈으로 확 인하기가 어렵다. 그렇지만 10개 이상에서는 혈관 주변부의 색조 감소가 나타나기 시작한다. 이는 검사자가 임상적으로 혈관 내 플라그(plaque) 등으로 오인할 수 있는 수준이다. 소자 결함이 어느 정도에서부터 오인 소지가 있는지는 결정 하기는 쉽지 않다. 컬러 및 파워도플러는 이득(gain)의 영향 을 받으며, 적절히 게인을 조정할 경우 소자 결함으로 인한 영상의 질 저하를 방지할 수 있다. 소자결함이 의심될 때는 B-모드에서 확인과정이 필요하다.
결함이 증가함에 따라 파워도플러의 픽셀 분포도의 변화 를 살펴보기 위해 영상에 대한 히스토그램 분석을 수행했다 (Figure 7). Figure 7에서 보여주는 것과 같이 결함이 증가 하면 파워도플러 영상은 작은 값을 가지는 픽셀의 분포가 상대적으로 많아지며, 영상은 어두운 색으로 전이된다. 결 함의 수가 10개 이상이 되면 총 픽셀 값의 평균이 감소한다 (Figure 8). 그러나 유의해야 할 점은 Figure 8에서 보여주 는 총 픽셀의 평균이 감소하기 이전에도 픽셀의 분포가 달 라질 수 있다는 점이다. 즉 결함에 대한 파워도플러의 민감 도는 Figure 8에서 보여주는 것보다는 더 높을 것으로 예상 된다.
Ⅳ결 론
본 연구는 초음파 프로브의 소자 결함이 파워 및 칼러도 플러 영상에 미치는 영향을 실험적으로 살펴 본 것이다. 초 음파 프로브는 초음파 진단기에서 성능 결함이 발생할 빈도 가 매우 높으면서 도플러 영상에 미치는 영향이 크기 때문 이다3).
실험 결과 일정 수준 이상의 프로브 소자의 결함은 도플 러 모드에서 활성화 되는 소자군 부근에서 도플러 속도에 영향을 주고 있는 것을 확인할 수 있었다. 초음파 프로브 소 자 결함은 그 크기가 클수록 도플러 활동 소자군 중심부에 위치할수록 도플러 영상의 밝기 및 도플러 속도를 크게 감 소시키는 것으로 나타났다. 또한 프로브에 소자의 결함이 생겼을지라도 결함의 위치가 도플러 활성 소자군 부근이 아 니면 도플러 영상에 그다지 영향을 주지 않는다. 그리고 도 플러 영상에서 소자 결함이 증가할수록 혈관의 중앙 부위에 서 보다는 주변 부위에서 영향이 먼저 오기 시작하는 것을 알 수 있었다.
이렇게 컬러 및 파워도플러 영상에서 도플러 활동 소자군 에서 결함이 증가할수록 혈관의 주변 부위에서부터 혈관 플 라그로 오인할 수 있는 허상이 생기고 있음을 알 수 있다. 따라서 소자결함이 의심될 때는 반드시 B-모드에서 확인과 정이 필요하다10).
물론 본 연구에서 언급한 도플러 활동 소자군은 실험에서 사용한 초음파 진단기의 빔 포밍 알고리즘에 대한 정보를 필요로 하는 부분으로 제작자들이 공개하지 않고 있는 부분 이다. 향후 도플러 소자 군에 대한 정보를 정확이 알 수 있 다면 결함의 위치에 따른 도플러 영상의 변화에 대해 좀 더 명확한 해석을 할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 해석들 이 초음파 프로브를 중심으로 한 초음파 검사 QA 프로그램 개발에 기여할 것으로 보인다11).
