Ⅰ. 서 론

초음파 의료 장비와 콘솔 사이에서의 데이터 변환 구현 기 술은 더욱 더 영상 속도 및 초음파 의료영상에 대한 정보 손실 이 그 많큼 적다고 할 수 있는 특징을 가지고 있다[1,2]. 하지 만, 정보 손실이 적다고는 하지만 의료 정보에 대한 제공을 정확하게 수행할 필요가 있다. 그러므로 초음파 의료영상은 병원에서 사용하는 최신 의료영상장비이며, 정확하게 수행 평가를 하면서 환자에게 많은 의료정보를 제공하게 된다. 그 리고 초음파 의료영상은 진단 정보를 제공함에 있어 초음파 장비에 대한 품질보증(Quality Assurance, QA)을 요구하고 있다[1]. 가장 기본이되는 물리적인 전기 안정상태, 조정 모 니터의 성능상태, 팬텀 측정에 대한 권장사항, 트랜스듀서의 센서의 기능적 상태를 확인하는 방법등이 있다[1,2]. 또한, 일반적으로 정량적인 영상 품질관리는 시간적인 오류와 함께 많은 시간을 요구하고 있는 실정이다. 이에 객관적이면서 정 량적으로 평가할 수 있는 잡음전력스펙트럼(Noise Power Spectrum, NPS)측정방법 및 변조전달함수(Modulation Transfer Function, MTF)가 있다[3-8]. 특히, 초음파 영상 에 대한 공간해상력을 측정하는 방법으로써 많이 사용되고 있으며, 초음파 의료 장비에 대한 유지 보수 및 사용이 유용 하도록 요구도가 증가 되고 있는 추세이다[1,2].

기존의 국내·외 연구를 보면 변조전달함수를 평가하는데 있어서는 기존의 전통적인 Edge 방법 및 다양한 방법을 이 용하고 있는 실정이다[9-14]. 또 다른 방법으로는 Marcus Kaar등은 팬텀을 개발하여 원형의 방사형 형태의 공간해상 도를 측정하는 방법을 이용하는 추세이기도 하다[2]. 이에, 연구에서는 정량적인 재현성을 확인하고 효율적인 정량평 가를 확인하기 위한 품질관리에 대한 요구도를 확인하는 방 법으로 확인하고자 하였다. 우선, 잡음전력스펙트럼측정에 있어서 사용하는 프로브의 주파수대 및 타입에 따라서 측정 값들의 변화가 다양하다는 것이다[1,2]. 또한, 초음파 의료 영상은 묘사된 모서리의 각도에 따라서 방향성에 크게 의존 하게 된다[2]. 물론 재질에 따라서도 많은 차이가 있을 수 있다[1,2]. 그러므로, 프로브들에 대한 측정기준을 주파수가 다른 관점에서의 잡음전력스펙트럼과 그리고 초점(Focus) 이 다른 관점에서의 변조전달함수로 확인하는 방법을 구현 하였다. 그러므로 실험에서는 팬텀을 이용한 초음파 의료영 상에서는 점확산함수(Point Spread Function; PSF)를 확 인 후에 Fig. 1에서의 영상프로파일이 가우시안함수의 형태 로 잡음 분포를 확인할 수 있었으며, Fourier Transform (FT)해서 해상력특성을 확인하였다[Fig. 1],[15-17]. 논문 에서는 ATS 535H Basic QA 초음파 팬텀을 이용하여 초음 파 의료장비의 물리적인 초음파의료영상에 대해서 공간해 상력특성을 평가하였다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 실험도구

실험 대상으로는 Logiq P6(Ultrasound, GE Healthcare System, Chicago, IL, USA)를 초음파 의료기기를 사용하 였으며, ATS 535H Basic QA(A CIRS Company, USA) 팬 텀을 적용하여, Convex 4C (4∼5.5 MHz), Linear 11L (10 ∼13 MHz), Sector 3SP (3∼5.5 MHz) 프로브를 이용하여 초음파 의료영상을 얻었다. 실험장비를 확인후에 프로브들 에 의한 왜곡된 영상이 나오지 않도록 수직 직각에 대한 영 상을 얻었으며, 10회 반복에 의한 영상을 얻은 후 가장 왜곡이 되지 않은 영상을 선택하였다. 그리고 영상측정은 ImageJ(Ver. 1.53n, Wayne Rasband National Institutes of Health, USA)를 이용하여 초음파 의료영상에 대한 정량 적 평가하는 데 사용하였다.

2. 영상획득 및 기법

ATS 535H Basic QA 팬텀을 가지고 잡음전력스펙트럼을 측정하기 위해서 다른 프로브 Convex 4C, Linear 11L, Sector 3SP 세 개를 이용하였다. 그리고 기본적인 파라미터 조건은 Table 1과 같이 하였으며, Frequency만 4, 12, 3 MHz로 다르게 하여 다른 영상을 얻었다. 또한, 변조전달함 수의 측정을 위해서 한 개의 Linear 11L 프로브를 이용하여 초점을 다르게 설정하여 각기 다른 영상획득을 하였다.

초음파 의료영상에 대한 파라미터들은 Table 1과 같다. 그리고 다수의 초음파 에코 신호의 간섭 및 인공물 등에 의 한 보정 한 후 최초의 영상을 얻으며, 프로브별로 10회 반복 해서 영상을 얻었다. 특히, 주목해야 할 내용은 논문에서 확 인하고자하는 정량평가를 위해서 우선 주파수가 다른 관점 에서의 잡음전력스펙스텀 그리고 초점이 다른 관점에서의 변조전달함수를 측정하고자 하였다.

3. 실험위치설정 및 영상분석 방법

다른 모습의 프로브 세 종류를 이용하여, Table 1과 같이 파라미터를 설정하였으며, 잡음전력스펙트럼 및 변 조전달함수 측정 평가를 하기 위해서 Digital Image and Communications of Medicine (DICOM)영상을 얻는 과정 에서 프로브의 중앙부에 위치하도록 하였다. 그리고 수평 유지를 위해 수평계를 사용하여 수평을 맞추어 가면서 영상 을 얻으려고 했다. 그리고 실험에서 얻은 316 × 614, 2D DICOM 영상을 얻었다. 또한, 잡음전력스펙트럼 평가를 하 기 위해서 화이트 잡음 영상을 얻었으며, 측정의 정확도를 높이기 위해서 팬텀 영상의 위치에 따라서 달라질 수 있는 부분을 확인하면서, 팬텀 영상 여러 슬라이스 중 데이터가 일부 왜곡된 영상들에 대해서 Fig. 1에서와 같이 선택해서 ImageJ로 영상분석을 반복하였다. 또 다른 변조전달함수 측정을 위해서 측정에서 가장 최적의 영상 위치를 확인하였 으며, Fig. 1과 같이 실험 위치 설정과 맞게 공간해상력 특 성을 측정하였다. 엣지 모양의 모서리 부분에 대해서 확인 하는 작업을 반복하면서 영상들을 분석하는 작업을 Fig. 1 에서 보듯이 반복해서 영상을 분석하였다[Fig. 1].

Ⅲ. 결 과

1. 주파수가 다른 세 가지 프로브의 잡음전력스펙트럼 비교

ATS 535H Basic QA 팬텀을 이용한 Convex 4C (4∼5.5 MHz), Linear 11L (10∼13 MHz), Sector 3SP (3∼5.5 MHz) 프로브를 이용한 잡음전력스펙트럼 결과값은 각각의 잡음 분포값은 나이 키스트 주파수 1.0 mm^-1에서 Convex 4C는 0.0049, Linear 11L는 0.0049, Sector 3SP는 0.1422로 나타났으며, 특이할 만한 내용은 나이키스트 주파수 2.5 mm^-1에서 Convex 4C는 0.0480, Linear 11L는 0.1039, Sector 3SP는 0.4299로 나타났 다[Table 1, Fig. 2].

2. 초점이 다른 Linear 프로브의 변조전달함수 비교

ATS 535H Basic QA 팬텀을 이용한 Linear 11L (10∼13 MHz) 프로브를 이용한 변조전달함수 결과값은 각각의 잡음 분포값은 나이키스트 주파수 1.0 mm^-1일 때 초점 3 cm에서 는 0.7511로 나타났으며, 초점 4 cm에서는 0.9001로 나타 났다. 변조전달함수 값이 0.5일 때 나이키스트 주파수는 초 점 3 cm에서는 2.2 mm^-1이며, 초점 4 cm에서는 2.5 mm^-1 이다[Table 1, Fig. 3, 4].

Ⅳ. 고 찰

논문에서는 임상적이면서, 실용적으로 접근할 방법을 모 색하기 위해서 초음파 의료장비를 이용해서 잡음전력스펙 트럼과 변조전달함수 측정을 위해서 ATS 535H Basic QA 팬텀을 가지고 초음파 의료영상을 획득하였다. 연구의 결과 값들은 초음파 의료영상에서 나타나는 여러 가지 정량적 평 가 들을 표현하고 있다. 정량적인 결과값들은 영상에 표현 되는 진단에 도움을 주는 방법으로 보다, 간단하면서로 편 리한 주기적인 초음파영상 품질을 통해서 의료영상에 대한 품질보증을 실시한다면 장비의 효율성 및 진단 및 진료에 유용하게 사용하는 도움을 줄 수 있을 것으로 생각한다.

일반적으로 의료영상에 대한 평가방법이 여러 가지가 있 지만, 그중에서도 공간 분해능(Spatial Resolution)에 대한 평가방법이 정량적·정성적 방법이 혼용하는 방법을 임상 에서 사용하고 있다. 특히나 많이 쓰이는 통계적 유의성에 의한 평균의 표준편차에 의한 방법 등을 구현하고 있는 것 이 사실이다[6,9]. 또 다른 방법으로는 영상의 일정 영역에 대한 ROI를 확인함으로써 신호도대 잡음비나 대조도대 잡 음비로 표현하는 방법도 일반화 되었다[6,9]. 그러므로, 평 가 방법들에 대해서 편리성을 확보하고, 주기적인 평가 방 법을 시행하는 것이 필요하다고 생각한다. 이번 연구에서는 점확산함수(Point Spread Function; PSF)를 확인 후에 Fig. 1에서의 영상프로파일이 가우시안함수의 형태로 잡음 분포를 확인할 수 있었으며, 이후 Fourier Transform (FT) 해서 해상력특성을 확인하였다[Fig. 1]. 초음파 의료영상은 Fig. 1에서 보듯이 방향성에 크게 의존하기 때문에 영상의 가장자리의 각도 변화는 결과적으로 잡음전력스펙트럼 및 변조전달함수에 큰 영향을 줄 수 있다[1.2]. 그 이유는 점 확 산함수(PSF)의 잡음의 분포가 가우시안 형태의 불규칙한 Fig. 1을 보면 확인할 수 있다. 그리고 조직 등가 팬텀에 사 용할 수 있는 팬텀의 재질들은 가장자리 모서리가 매우 정 확하게 유지되지 않을 수 있다[2] 또 한편으로 초음파 영상 은 방향과 깊이 그리고 주파수에 따라서 크게 의존한다 [1.2]. 그러므로 초음파 의료영상에 대해 재현성이 유지 가 능하고 비교 가능한 잡음전력스펙트럼 및 변조전달함수를 얻는데 있어 매우 중요한 정량적 평가의 기준이 될 수 있다.

기존의 의료영상장비의 CR, CT, MRI, LINAC, Mammography 등 잡음전력스펙트럼들의 형태를 보면 공간해상력이 높을 수록 저주파수의 공간해상력보다는 낮게 측정되는 것이 일 반적이지만, 초음파 의료영상에서의 측정된 값들은 Fig. 2 에서 보듯이 중간지점의 주파수 영역대에서 잡음이 많은 상 태로 표현이 된다[10,11,16,17]. 이는 초음파의 물리적인 특 성으로 되돌아오면서 나타나는 영상의 균질성(Image Intensity Uniformity)들이 라고 할 수 있다[1,2]. 따라서, Linear 프로브가 가장 노이즈가 적은 값으로 표현 되는 이 유도 모서리 부분까지도 정확성을 유지하면서 영상을 얻는 방법의 표현이라고 생각 된다[1,2].

그리고, 다른 측정값들중에 변조전달함수 값이 초점 깊이 에 따라서 주파수에 따르는 값들의 변화등을 보았을 때 파 라미터 중 초점이 작을수록 공간해상력값이 좋은 결과를 도 출해 내었다. 그 이유는 4 cm 깊이에서의 변조전달함수는 3 cm에서의 측정값들 보다는 좀 더 좋은 이유 이기도 하다 [Fig. 3, 4]. 또 다른 해석으로는 초점의 깊이에서의 상대적 인 잡음전력스펙트럼값이 다른 프로브들 보다 Linear 프로 브가 상대적으로 좋은 이유가 될 수 있다고 할 수 있다(잡음 값이 적다는 것은 좋은 값을 표현한다). 따라서, Fig. 1에서 보듯이 초점이 달라질수록 그리고 프로브를 선형적으로 적 용하지 않았을 시에도 점 확산함수(PSF)에서 보듯이 잡음 이 많이 포함되어 있음을 알 수 있다. 그러므로 잡음전력스 펙트럼은 균질성(Image Intensity Uniformity)을 평가할 수 있으며, 변조전달함수로는 해상력을 평가할 수 있다고 저자들은 생각 한다[Fig. 2],[1, 2, 4, 10].

마지막으로, Marcus Kaar등은 팬텀을 개발하여 원형의 방사형 형태의 공간해상도를 측정하는 방법의 결과 변조전 달함수 곡선은 모든 방향에서 평균화된 원본 이미지의 방사 형 변조전달함수 품질을 나타낸다[2]. 그리고, 더 높은 주파 수 초음파 의료영상으로 계산된 변조전달함수는 더 낮은 주 파수 영상보다 모든 공간주파수에서 더 높은 전송 백분율을 보여준다[2]. 앞으로의 정량적 측정은 잡음전력스펙트럼이 나, 변조전달함수에 대한 측정법에 대해서 일반적으로 많이 사용하는 다양한 의료 장비의 측정법의 일반화를 비롯한 Edge법 및 점확산함수를 이용하여 측정된다면, 특히나 팬 텀의 개발에 의한 측정법들이 일반화 된다면 정량적 평가 방법이 보다 쉽게 측정하는 법으로 널리 이용되기를 희망한 다. 따라서, 연구에서는 향후 측정을 위한 인체에 맞는 초음 파 팬텀 개발을 하여 정량적인 측정 방법을 일반화 해야 한 다고 생각한다.

Ⅴ. 결 론

연구는 초음파의료장치의 품질보증에 대해서 초음파 의 료영상을 이용하여, 정량적 평가방법을 제시하였으며, 공간 해상력에 대한 특성을 연구하였다. ATS 535H Basic QA 팬 텀을 이용하여 기준이 되는 잡음전력스펙트럼과, 변조전달 함수의 정량적 평가로 인해서 임상에서 장비 유지를 위한 품질관리를 효율적으로 사용할 수 있으며, 공간해상특성에 대한 정량적 품질보증 평가 방법을 준용하고, 초음파 의료 장치의 물리적 해상 특성 결과값을 제시하였다는 데 의의가 있다.