30=( )김민주.hwp
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- 세영 박
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1 요약 ATS-539 다목적팬텀과 SNR 을이용한초음파영상평가 Evaluation of Image Quality using ATS-539 Phantom and SNR in the Ultrasonographic Equipment 김민주 *, 이진수 *, 고성진 **, 강세식 **, 김정훈 **, 김동현 **, 김창수 ** 부산가톨릭대학교대학원방사선학과 *, 부산가톨릭대학교보건과학대학방사선학과 ** Min-Ju *, Jin-Soo *, Seong-Jin **, Se-Sik **, Jung-Hoon **, Dong-Hyun **, Changsoo ** 영상의학분야에서초음파검사의중요성이강조되며영상평가에대한관심이고조되고있다. 또한표준화되지않은기준과방법으로영상평가를시행하고있어법적규정과객관적인평가기준마련이시급한실정이다. 이에본연구는기존의초음파영상평가의한계와제한적방법을보완하고정량적인방법을제시하고자 SNR 의영상평가실험을실시하였다. ATS-539 다목적초음파팬텀을이용해획득된 8 가지팬텀영상방법과예민도, 회색조와역학범위두항목의 SNR 결과를비교및분석하였다. 실험결과기존의영상평가결과에서의우수한장비는 G1,S1, G2 의순으로나타났다. 논문에서제안하는실험으로예민도의 SNR 결과는 G1, S1, G2 의순으로, 회색조와역학범위항목의 SNR 결과는 S1, G1, G2 의순으로나타났다. 결과에서기존의초음파영상평가방법과제시하는정량적영상평가방법이큰차이를보이지도, 일치하지도않게나타났다. 객관적이고정량적인초음파영상장치의평가를위해서는기존의팬텀을이용한영상평가방법과 SNR 을이용한영상평가의측정방법도함께평가되어야할것으로사료된다. 중심어 : 영상평가 ATS-539 다목적초음파팬텀 SNR Abstract The importance of ultrasound examination in the field of medical imaging has been emphasized and the interest in sonographic image evaluation is growing. However image evaluations by the non-standardized criteria and methods, so establishment of legal provisions and objective evaluation criteria are needed. In this study, we used SNR to find out more quantitative way and supplement the limitations of the existing phantom image evaluation. The results of acquired 8 images using ATS-539 multipurpose phantom were compared in SNR of sensitivity and gray-scale dynamic range. In the result of the experiment, excellent equipment of existing phantom images are G1, S1 and G2 in regular sequence. In SNR of sensitivity, G1, S1 and G2 and in SNR of gray-scale dynamic range, S1 G1 and G2 in order. In the conclusion, all the experiment results did not show big difference and regular pattern neither. Therefore, the new evaluation measures should be used with the existing phantom image evaluation method for more objective and quantitative evaluation of the ultrasound imaging device. keyword : Evaluation of Image Quality ATS-539 Multipurpose Phantom SNR 접수일자 : 2013 년 04 월 30 일수정일자 : 2013 년 06 월 03 일 심사완료일 : 2013 년 06 월 18 일교신저자 : 김창수, cszzim@cup.ac.kr
2 ATS-539 다목적팬텀과 SNR 을이용한초음파영상평가 285 I. 서론초음파검사는다른검사에비해안전하며, 장비의발전도빠르게이루어지고있다. 이로인해검사의중요성이점차대두되고있고장비의보급률역시꾸준히증가하고있다. 의료영상장비의보급률과검사건수의증가에비해영상품질의평가및정도관리수준은극히미흡한실정이다 [1]. 2001년말부적합한의료장비의퇴출과적정진료도모를위해 CT등품질관리일제검사가실시되었다. 검사결과장비의상당수가품질상의결함을가지고있음이지적되었고, 품질관리와영상평가에대한문제점과국민의건강권확보를위한정책의중요성이대두되었다. 그리하여국민건강보험재정건전화특별법에근거해 특수의료장비의설치및운영에관한규칙 이제정, 공표되어자기공명영상촬영장치, 전산화단층촬영장치, 유방촬영용장치에대한정도관리의체계화가법제화를통해가능하게되었고, 2004년부터한국의료영상품질관리원을중심으로품질관리가정기적으로시행되고있다 [2]. 이후보건복지부는 2011년기존의 CT, MRI, 유방촬영용장치에더하여혈관조영장치, PET, PET- CT, 체외충격파쇄석기, 방사선치료계획용 CT, 방사선치료계획용투시장치, 투시장치, C-arm 등 8종특수의료장비의설치및품질기준마련을주요내용으로하는 특수의료장비의설치및운영에관한규칙개정안 을확정하였다 [3]. 그러나초음파영상진단장치는이러한제도적장치가마련되어있지않고타특수의료장비와는달리영상검사기준이마련되어있지않아, 법적인규정뿐아니라객관적이고체계적인영상평가기준의정립이시급한실정이다. 2003년대한영상의학회와대한초음파의학회는초음파영상의평가를위해 ATS-539 다목적초음파팬텀을초음파표준팬텀으로정하였고 [4], 팬텀으로측정할수있는 8가지항목을평가하여초음파진단장치의객관적인최소규정을마련하고적합기준을제시하였다 [5]. 여러나라와국제적인조직들역시초음파장비의영상 품질관리의기준을정하여시행하고있지만그기준들은표준화되지못하고있다. 사용자관점에서의품질관리또는평가기술표준화의모호함과평가의주관적인적용이큰이유다 [6]. 그러므로팬텀영상으로초음파영상진단장비를평가할근거는미약하나, 현재까지는팬텀이가장객관적인자료를제공하므로 [7], 초음파장비의정도관리와영상평가는팬텀을이용한검사로이루어지고있다. 그러나이는평가자의육안적인소견만으로평가하므로의견이다를수있어지극히주관적이라는한계가있다 [8]. 따라서본논문에서는팬텀영상을이용한영상평가의객관성이떨어진다는한계점을보완하고자신호대잡음비 (Signal to Ratio, SNR) 를이용한영상평가방법을제안하고자한다. 기존의팬텀영상의 8가지항목측정을이용한영상평가와팬텀영상에서의 SNR 측정을통한영상평가를비교하여보다정량적이고객관적인새로운영상평가방법을알아보고자하였다. Ⅱ. 관련연구초음파표준팬텀영상평가의항목으로는불응영역, 종측정, 횡측정, 축방향 / 외측해상도, 국소영역, 예민도, 기능적해상도, 회색조와역학범위 8가지가있다. 불응영역 (Dead zone) 은탐촉자와팬텀사이에서탐촉자의앞면으로부터첫번째로인식가능한에코까지의거리를말한다. 총 9개의표적으로구성되어있으며, 첫번째표적은스캔표면으로부터 2 mm 거리에위치하고 1 mm 간격으로 10 mm 까지배열되어있다. 초점을최근거리에위치시키고, 5번째표적이중앙에오도록조절하여 9개의표적이모두분리되어보일때적합한것으로평가하였다. 종측정 (Vertical measurement) 은매질내의실제거리가초음파빔 (sound beam) 의축을따라정확하게표현되는지를측정하는것으로, 표적은 17개이고, 표적간의거리는 1.0 ± 0.1 cm 이다. 가능한한다초점을사용하고표적이화면의중앙에위치하도록하여영상을얻으며 1-11 cm 까지 10 cm 을측정하였다. 허용오차범
3 286 한국콘텐츠학회논문지 '13 Vol. 13 No. 8 위는 10 ± 1 cm으로평가하였다. 횡측정 (Horizontal measurement) 은초음파빔 (sound beam) 의축에대한수직으로얻어진값이며, 각표적간의거리는 2 cm 이다. 이연구에서는종측정영상에서 8 cm 의횡거리를측정하며허용오차범위는 8 cm ± 4 mm 로평가하였다. 축방향 / 외측해상도 (Axial/lateral resolution) 는서로인접한두물체를구별하는능력을말하며, 축방향및외측해상도로나눌수있다. 초음파빔 (sound beam) 의축에따른해상도를축방향해상도라하며, 초음파빔의수직인값은외측해상도이다. 표적의크기는 1 mm 로중앙에있는표적간의거리는 1.0 mm이며점차 2.0 mm, 3.0 mm, 4.0 mm로거리가멀어져서가장자리에있는표적간의거리는 5.0 mm이다. 이연구에서는종측정영상에서 11개의표적이모두뚜렷하게분리되어보여야적합하다고판정하였다. 국소영역 (Focal zone) 은강도와외측해상도가최대일때초점주위의영역으로가장정확한진단정보를제공한다. 종측정영상에서한개의초점을 6-7 cm 깊이에위치시킨후, 초점깊이에있는표적의횡거리를측정하고, 이표적보다 4 cm 뒤에위치한표적의횡거리를측정하여초점으로인해표적이얼마나집속되는지알아보고, 초점율 75% 이상을기준으로평가하였다. 같다. 다초점을사용하여 4 mm 크기의표적이중앙에수직으로위치하도록얻은영상에서표적이뚜렷하게구분되고겉모양이 180 이상연속적으로유지되는경우를적합하다고판정하였으며크기별로적합하게관찰된표적의개수를기록하였다. 회색조와역학범위 (Gray scale and dynamic range) 는수신에코의진폭에따라영상의밝기를다르게표현하는것으로, 가장낮은회색조수준부터최대밝기까지에코신호를조절하여나타내는것이다. 6개의표적이한화면에모두보이며표적의중앙이화면의중앙에오도록영상을얻는다. 각각의표적이뚜렷이구분되어야하고경계선이 180 이상연속적으로원형을 4개이상유지하여야적합하다고판정하였다 [5]. Ⅲ. 재료및방법 1. 실험재료현재 P대학병원에서사용중인 3대의초음파영상진단장치를대상으로장비별영상평가를실시하였다. 영상평가에사용된팬텀은대한영상의학회와대한초음파의학회에서초음파표준팬텀으로정한 ATS-539 다목적초음파팬텀을사용하였다 [ 표 1]. 깊이표적의횡거리초점율 분자보다 뒤에있는표적의횡거리 예민도 (Sensitivity) 는무에코성 (anechoic) 표적 8 mm, 6 mm, 4 mm, 3 mm, 2 mm 크기의원형구조물을구별할수있는깊이를말한다. 8 mm 와 6 mm 크기표적은각각 8개로구성되어있으며간격은 2 cm 으로 16 cm까지배열되어있다. 나머지표적은각각 17개로구성되어있으며 1 cm 간격으로 16 cm 깊이까지배열되어있다. 8 mm 크기의표적이중앙에일렬로배열되도록영상을얻으며 8번째표적까지보여야하고측정거리의허용오차범위는 16.0 ± 1.0 cm 이다. 기능적해상도 (Functional resolution) 는팬텀에있는무에코성 (anechoic) 표적의크기, 모양, 깊이를나타내는능력을말한다. 표적의배열은예민도의구조물과 표 1. 평가대상초음파영상진단장치목록 장비 탐촉자 주파수 (MHz) G1 Convex G2 Convex 3-5 S1 Convex 실험방법모니터의밝기및대조도를최적의상태로조절하고, 복부검사용볼록형탐촉자와복부검사용소프트웨어를사용하였다. T.G.C(Time Gain Compensation) 를최대로설정하고영상의깊이는 cm으로조절하여, ATS-539 다목적초음파팬텀을이용해측정기준에따라영상을얻은후 M-view(Infinitt, Korea, ver ) 를통해
4 ATS-539 다목적팬텀과 SNR 을이용한초음파영상평가 287 측정하였다. 획득한팬텀영상으로 Adobe Illustrator(Adobe, U.S. A, ver. C.S.5) 와 Adobe Photoshop(Adobe, U.S.A, ver. C.S.5) 을이용하여 SNR을측정하였다. 2.1 초음파표준팬텀의영상평가 불응영역, 종측정, 횡측정, 축방향 / 외측해상도, 국소영역, 예민도, 기능적해상도, 회색조와역학범위의 8 가지항목의적합여부를측정하여적합인경우 0, 부적합인경우 -1점을기준으로장비를평가하였으며, 기능적해상도는아래평가표를기준으로개수에따라순차적으로점수를내었다 [ 표 2]. 모든점수를합하여결과에따라 3대의초음파영상장치중어떤장비가더우수한영상을보여주는장비인지평가하였다. 표 2. 팬텀영상평가표 영상평가측정항목불응영역, 종측정, 횡측정, 축방향 / 외측해상도국소영역, 예민도, 회색조와역학범위 8 mm 6 mm에서적합하게관찰된표적의수기능적 4 mm 해상도 3 mm 2 mm에서적합하게관찰된표적의수 2.2 SNR 의영상평가 평가 적합 : 0 부적합 : -1 8 개 :0 7 개 :-1 6 개 :-2 5 개 :-3 4 개 :-4 3 개 :-5 2 개 :-6 1 개 :-7 0 개 :-8 17 개 :0 16 개 :-1 15 개 :-2 14 개 :-3 13 개 :-4 12 개 :-5 11 개 :-6 10 개 :-7 9 개 :-8 8 개 :-9 7 개 :-10 6 개 : 개 :-12 4 개 :-13 3 개 :-14 2 개 :-15 1 개 :-16 0 개 :-17 신호대잡음비 (Signal to Ratio, SNR) 란신호 (signal) 와잡음 (noise) 의비를말하며, 최종적으로발생하는영상에서신호와잡음, 신호의불확실성과부정확도의정도를나타내는인자이다. SNR이클수록획득한신호가잡음에비해서뚜렷한영상을나타내며작을수록신호와잡음의구별이어려워영상의질이저하된다 [9]. 본논문에서는기존영상 평가의 2가지항목인예민도와회색조와역학범위에대한신호를측정하여영상을평가하였다. SD : Standard Deviation BG : Background ROI : Region of Interest [10] 획득한팬텀영상을 Illustrator 를통해영상의크기를일정하게조절하고 ROI와 BG영역을설정하여고정시킨후 Photoshop에서각각의평균값 (mean value) 을구해위의식에대입해 SNR을구하였다. 예민도팬텀영상에서는 8 mm 표적만을대상으로비교적뚜렷하게보이는첫번째, 두번째, 세번째표적에대한 SNR을측정하였고, BG는세표적의중앙부분으로하였다. ROI는표적의실제크기인직경 8 mm에맞게설정하였다. 회색조와역학범위의팬텀영상에서는 6개의표적중비교적뚜렷하게보이는 4개의표적만을대상으로 SNR을측정하였고, BG는네표적의중앙부분으로하였다. ROI는표적의실제크기인직경 15 mm에맞게설정하였다. 팬텀영상평가결과와팬텀영상의 SNR 측정결과를비교하여상관관계를알아보고, SNR이객관적이고정량적인새로운영상평가방법이될수있는지측정하였다. Ⅳ. 결과 1. 초음파표준팬텀의영상평가 1.1 Dead zone 3대의초음파진단장치 9개표적이각각분리되어보여적합기준내에포함되어모두 0점으로평가되었다. 1.2 Vertical measurement G1은측정거리 cm, G2는 cm, S1은 cm 으로허용오차범위 10 ± 1 cm 내에포함되어모두 0점으로평가되었다 [ 그림 1].
5 288 한국콘텐츠학회논문지 '13 Vol. 13 No Horizontal measurement G1은측정거리 8.34 cm, G2는 8.58 cm, S1은 8.67 cm 으로 G1은허용오차범위내에포함되어 0점, 나머지 2대는범위를벗어나 -1점으로평가되었다 [ 그림 2]. 1.6 Sensitivity 3대모두 8개의표적까지보였고, G1은측정거리 cm, G2는 cm, S1은 cm으로허용오차범위내에포함되어모두 0점으로평가되었다. 1.4 Axial/Lateral resolution 3대모두 11개표적이뚜렷하게분리되어보여적합기준내에포함되어 0점으로평가되었다. 1.7 Functional resolution 크기별로적합하게관찰된표적의수는아래표와같고, 평가표의기준으로 G1은 -47점, G2는 -51점, S1은 -47 점으로평가되었다 [ 표 4]. 표 4. 기능적해상도 장비표적수표적크기별평가평가 G1 8 mm : 6 6 mm : 5 4 mm : 4 3 mm : 3 2 mm : 2 8 mm : -2 6 mm : -3 4 mm : mm : mm : 그림 1. 종측정 (Vertical measurement) G2 8 mm : 4 6 mm : 4 4 mm : 5 3 mm : 3 2 mm : 0 8 mm : -4 6 mm : -4 4 mm : mm : mm : S1 8 mm : 5 6 mm : 3 4 mm : 5 3 mm : 4 2 mm : 2 8 mm : -3 6 mm : -5 4 mm : mm : mm : Gray scale and dynamic range 그림 2. 횡측정 (Horizontal measurement) 1.5 Focal zone G1은초점율 68.8 %, G2는 68.7 %, S1은 52.1 % 으로허용오차범위 75 % 내에포함되지않아모두 -1점으로평가되었다 [ 표 3]. 표 3. 국소영역 장비측정된초점의크기 (cm) 초점율 (%) 평가 G1 G2 S1 초점깊이의표적 : cm 뒤에위치한표적 : 0.61 초점깊이의표적 : cm 뒤에위치한표적 : 0.64 초점깊이의표적 : cm 뒤에위치한표적 : 적합하게관찰된표적의수는 G1과 S1은 4개로적합기준내에포함되어 0점으로평가되었고, G2는 3개로 -1점으로평가되었다. 8가지팬텀검사항목평가결과를점수로평가한결과 G1은 -48점, G2는 -54점, S1은 -49점으로, 가장좋은영상을보여주는우수한장비는 G1이며 S1, G2의순으로나타났다. 2. SNR 의영상평가 2.1 예민도평가 ROI를설정하여세표적의평균값 (mean value) 과 BG 의 SD를측정하여각표적의 SNR을계산하며, 각장비의 SNR 평균은 G , S1-5.07, G 값으로나타났다 [ 표 5][ 표 6][ 그림 3].
6 ATS-539 다목적팬텀과 SNR 을이용한초음파영상평가 289 표 5. 예민도의평균 장비 Target 1 Target 2 Target 3 SD of BG G G S 표 6. 예민도의 SNR 장비 첫번째첫번째첫번째 SNR SNR SNR mean G G S 그림 3. 예민도 2.2 회색조와역학범위평가 ROI를설정하여세표적의평균값 (mean value) 과 BG 의 SD를측정하여각표적의 SNR을계산하며, 각장비의 SNR 평균은 S , G1-8.58, G 값으로나타났다 [ 표 7][ 표 8][ 그림 4]. 표 7. 회색조와역학범위의평균장비 Target 1 Target 2 Target 3 Target 4 SD of BG G G S 표 8. 회색조와역학범위의 SNR 장비 첫번째 SNR 두번째 SNR 세번째 SNR 네번째 SNR mean G G S 그림 4. 회색조와역학범위 Ⅴ. 결론및고찰초음파진단장치의영상평가로서팬텀평가의가장큰장점은시간과공간의제약없이항상일정한조건에서쉽게영상진단장치에대한데이터를얻을수있다는점이다. 만약환자를대상으로한다면환자의상태변화에따라데이터의오차가발생할수있으나, 팬텀은정상조건에서항상일정한정보를얻을수있는장점이있다. 또한팬텀영상의질이낮을경우, 임상적영상의해상도와대조도역시저하될것이라고예상된다 [11]. 그러나팬텀영상평가와임상적진단율이아직확실하게비교되지않았다는점과평가과정도과학적이고객관적이기보다는주관적인평가에더의존되는경향이있다는단점이있다. 그럼에도현재까지는팬텀을이용하는것이가장객관적인평가방법이기때문에팬텀을이용한초음파진단장치의영상평가가이루어지고있다. 팬텀을이용한영상평가와관련된논문들에서의평가기준이연구마다다르다는점을감안하면팬텀영상의결과는평가기준에따라바뀔수도있기때문에기존의팬텀영상평가만으로초음파장비를평가한다는것은정확하고객관적인평가기준으로는많이부족하다고보인다. 그러므로본논문에서는팬텀을이용한영상평가의주관적이라는한계를극복하고정량적인영상평가방법을제시하고자기존다양한영상평가에서 SNR을이용하였다. SNR이클수록화질이우수하기때문에초음파진단장치에서도 SNR 측정및평가가가능하다고사료되어팬텀영상평가와함께영상의신호를측정해장
7 290 한국콘텐츠학회논문지 '13 Vol. 13 No. 8 비를보다정량적으로평가하였다. 팬텀을이용한기존의영상평가방법으로실험한결과와팬텀영상에서 SNR을측정해실험한결과를비교하여다음과같은결과를얻었다. 기존팬텀영상을이용한 8가지의항목으로평가한결과에서우수한장비는 G1, S1, G2의순으로나타났고, 객관적인최소규정인불응영역과축방향 / 외측해상도, 회색조와역학범위의세가지항목만으로평가한결과역시거의일치하였다 [5]. SNR 측정은기존팬텀영상의예민도, 회색조와역학범위의항목으로실험하였고, G1과 S1장비가차이는있었지만비교적우수하고 G2가영상의질이떨어지는것으로나타났다. 이와같이팬텀영상평가와 SNR 평가결과에서영상의질이가장떨어지는장비는동일했지만결과가정확하게일치하지는않은점으로보아, 현재시행되고있는기존의방법만으로평가하는것은정확한초음파장치의영상평가방법으로는부족하며, SNR 측정이그한계점을보완할수있는방법이될것이라생각된다. 그러므로초음파진단장치의영상평가에서좀더객관적이고정량적인평가를위해기존초음파팬텀을이용한평가방법과정량적 SNR 측정평가를이용한방법이병행하여야할것으로사료된다. 본논문에서 SNR 측정의정확한기준값을제시하지못하였으나, 기존의팬텀을이용한영상평가방법의한계를조금이나마극복한초음파진단장치영상평가의새로운방법을제시했다는데의의가있다. 그리고팬텀영상평가에서적합판정기준값이없는각각의항목들에대한평가기준값을제시하였으며, 각항목별적합여부에그치지않고모든항목을종합하여정량적으로평가하였다는점도의미가있다. 그러나 SNR 측정평가결과에서두가지항목의수치가정확하게일치되지않았다는점은측정과정과방법에서의미흡함으로인한오차발생과동일장비평균값제시가부족했기때문이라생각된다. 이에향후동일장비의비교실험과여러업체장비를대상으로다양한카테고리를적용하여 SNR 영상평가의적합기준을제시하고, SNR의측정방법과정량적수치값의제안 에대한연구가이루어져야할것이다. 참고문헌 [1] 강혜경, 진단용초음파장비의팬텀을이용한정도관리에관한연구, 고려대학교의용과학원석사학위논문, [2] 특수의료장비의설치및운영에관한규칙, 보건복지부령제235호, 보건복지부, [3] 특수의료장비의설치및운영에관한규칙일부개정안, 보건복지부, [4] [5] 김표년, 임주원, 김현철, ATS-539 다목적초음파팬텀을이용한초음파영상진단장치의성능평가, 대한영상의학회지, 제58권, 제5호, pp , [6] N. M. Gibson, N. J. Dudley, and K. A. Griffith, comp uterised quality control testing system for B-mode ultrasound, ultrasound in Medicine & Biology, Vol.27, No.12, [7] M. M. Goodsitt, P. L. Carson, S. Witt, D. L. Hykes, and K. J. M. Jr. Realtime, "B-mode ultrasound quality control test procedures: Report of AAPM ultrasound task group," Med Phys, Vol.25, No.1, Issue.8, pp , [8] 유지영, 종합병원에서사용중인초음파영상진단장치의성능 : ATS-539 다목적초음파팬텀을이용한성능측정, 전북대학교보건대학원석사학위논문, [9] 권달관, 김창수, 박영순, 의료영상정보학실습, 청구문화사, [10] H. J. Chang, R. T. George, K. H. Schuleri, K. Evers, K. Kitagawa, A. João, C. Lima, and A. C. Lardo, Prospective Electroc ardiogram-gated Delayed Enhanced Multidete ctor Computed Tomography Accurately Quantifies Infarct Size and Reduces Radiation Expo sure JACC: Cardiovascular Imaging, Vol.2, Issue 4,
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