초음파진단장치의 조절

[장우열]

초음파영상 반사신호의 강도는 환자마다 특성에 따라 다르며 초음파장치의 기준 영상 세팅값은 일반적으로 범용으로 사용 가능하도록 설정되어 있으나 모든 초음파영상의 case를 만족 해주지 못한다.
이런 각기 다른 case 환자마다 영상의 차이와 초음파의 반사신호의 양을 적절하게 조절해주는 것은 초음파의 진단에 보다 정확한 영상을 제공하게 되므로 초음파영상장치의 영상조절의 기능에 대한 이해가 필요하다. .
초음파진단장치의 panel(그림.)에는 여러 조절장치가 있다. 이러한 조절 장치의 원리와 사용방법을 숙지함으로써 보다 좋은 화상을 얻을 수 있다.

초음파 진단장치 조절 panel [Model: SONOACE X8, MEDISON,Co,Ltd.]

1. 게인 (Gain)
   생체로부터의 반사에코신호는 강도가 약하여 실제로 화상에 표현되기가 어렵다. 이러한 약한 에코신호를 대수 증폭시켜 반사에코신호의 강도를 올려주는 것이 게인(gain)이다.
   게인(gain)은 초음파영상의 밝기(Brightness)와 관계가 있는 조절인자로 너무 강하게 올릴 경우 초음파영상전체가 밝게 표시될 수 있고 반대로 너무 낮게 조절 할 경우 표시해야 할 영상의 신호를 표시하지 못해 어둡게 표현 될 수 있으므로 적절한 게인(gain)의 조절이 필요하다.
   

   영상 예1) Liver 영상 (Fig1.)

   

   [Fig 1-1] 적절한 수준의 Gain

   

   [Fig 1-2] 낮은 수준의 Gain

   

   [Fig 1-3] 높은 수준의 Gain 설정

   영상 예2) 팬텀 영상 (Fig2.)

   

   [Fig 2-1] 적절한 수준의 Gain 설정

   

   [Fig 2-2] 낮은 수준의 Gain 설정

   

   [Fig 2-3] 높은 수준의 Gain 설정

   
   
   
2. TGC(Time Gain Compensation), STC(Sensitivity Gain Control), DGC(Depth Gain Control)
   초음파 beam은 깊이에 따라 투과하며 감쇄(attenuation)하는 특성이 있다. 이러한 특성 때문에 Probe의 표면 가까이에 위치한 부위(near zone)의 신호와 Probe 표면 멀리에 위치한 심부(Far zone)의 신호의 차이가 나게 되고 near zone 부분에 비해 상대적으로 far zone 부분의 신호가 약하여 어둡게 나타나게 된다. 이러한 경우 단순히 게인(gain)만을 증가시키면 near zone 의 부위는 상대적으로 밝게 나타나고 far zone 의 부위는 어두워지게 된다. 이러한 점을 보완하기 위하여 각기 다른 위치에 있는 반사에코를 같은 밝기로 표시되도록 하기 위하여 깊이(Depth)에 따라 감쇄(attenuation)한 만큼 증폭도를 조절하는 기능으로 TGC (Time Gain Compensation)기능을 사용 할 수 있다.
   간(liver)과 같은 실질성 장기는 간실질이 전체적으로 균일한 밝기(Brightness)로 나타나도록 각 depth에 해당하는 TGC 볼륨의 슬라이드 버튼을 조절하는 것이 바람직하다.
   

   영상 예1) Liver (Fig3.)

   

   [Fig 3-1] 적절한 수준의 TGC 설정

   

   [Fig 3-2] Near zone의 낮은 TGC 설정

   

   [Fig 3-3] Far zone의 낮은 TGC 설정

   영상 예2) 팬텀영상 (Fig4)

   

   [Fig 4-1] 적절한 수준의 TGC 설정

   

   [Fig 4-2] Near zone의 낮은 TGC 설정

   

   [Fig 4-3] Middle zone의 낮은 TGC 설정

   

   [Fig 4-4] Far zone의 낮은 TGC 설정

   
   
   
3. Dynamic Range
   초음파영상신호의 최대값과 최소값 사이의 비율을 정해주는 것으로 화면상에 표시 할 수 있는 강한 echo 신호와 약한 echo 사이의 범위는 차이가 매우 크므로 영상화하기 곤란하기 때문에 대수법을 이용하여 적절히 압축하여 나타낸다.
   Dynamic Range를 넓게(High dynamic range) 하면 약한 신호부터 강한 신호까지 넓은 범위의 신호를 모니터에 표시 할 수 있다. 모니터에 나타나는 휘도(contrast)의 차이인 gray scale 간격의 에코 차이가 작아지게 된다. 영상의 느낌은 부드러워(soft) 지나 대조도의 차이가 줄어들게 되어 과도한 Dynamic range의 설정은 오히려 진단을 어렵게 할 수 도 있다.
   반면에 dynamic range를 좁게 (Low dynamic range)하면 gray scale 간격의 에코차이가 커지게 되며 어떠한 부분의 신호를 모니터에 큰 휘도차로 표시 할 수 있어 모니터상의 대조도의 차이(contrast)는 커지게 된다. 영상의 느낌은 거칠어(coarse)질 수 있어 지나치게 낮은 dynamic range의 설정은 오히려 장기실질의 판단을 어렵게 할 수 있다.
   

   Dynamic range 영상 예 (Fig 5.)

   

   [Fig 5-1] 적정수준의 Dynamic range 세팅

   

   [Fig 5-2] Dynamic range를 높게 설정한 경우

   

   [Fig 5-3] Dynamic range를 낮게 설정 한 경우

   
   
   
4. Reject Level
   Reject level은 초음파의 영상신호 중 낮은 강도의 에코 level을 순차적으로 제거(Elimination) 하는 기능이다. Probe로 돌아오는 신호 중에는 진단에 불필요한 noise 성분도 같이 들어오게 된다. 이 불필요한 노이즈 성분은 약한 echo 신호를 가지고 있어 영상의 질을 저해하게 되므로 Reject level을 올려주어 낮은 신호의 노이즈 성분을 제거 할 수 있다. 일반적으로 Reject level은 noise 의 제거 및 cystic 한 성분을 포함한 영역이나 혈관구조를 관찰 할 때 사용 할 수 있다.
   

   Reject 영상 조절의 예 (Fig6)

   

   [Fig 6-1] Reject level을 높게 설정한 경우

   

   [Fig 6-2] Reject level을 낮게 설정한 경우

   위의 영상은 방광(urinary bladder)의 영상으로 reject level의 낮게 시행한 경우 방광내의 debris echo 및 잡음(noise) 가 관찰되어 reject level을 적절히 시행한 영상은 선명한 방광(urinary bladder)의 내강과 방광벽(urinary bladder wall)을 잘 관찰 할 수 있다.
   
   
5. Frame average
   단위시간당 (1/sec) 발생하는 화면의 수를 frame rate이라고 한다. 이 frame rate가 빠를수록 시간 해상력(Temporal resolution)은 좋아지므로 빠르게 움직이는 장기 등을 관찰하기에 유리하지만 빠른 frame rate를 만들기 위해 한 frame당 영상의 선밀도(line density)가 줄어들게 되어 영상의 질이 저하되게 된다. 대부분의 장비에는 이러한 frame을 평균화하여 보여 줄 수 있는 frame average라는 기능이 있다. 이 기능은 연속하여 발생하는 frame을 2~3장 평균화하여 1장의 frame으로 보여주게 되므로 frame average가 높아지게 되면 영상의 line density가 마치 증가한 것 같이 공간 분해능(spatial resolution)이 좋아지며 영상이 부드러워지게 된다. 반면 지나지게 높게 설정된 값은 시간 분해능(temporal resolution)을 저해하므로 빠르게 움직이는 장기의 해상력이 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.
   
   
6. Depth
   초음파영상의 투과 깊이를 조절해주는 기능으로 적절한 depth를 선택하여 스캔 하고자 하는 대상에 맞추어서 설정하도록 한다. Depth 는 화면상에 적절한 시야를 확보하게 하여 영상의 관찰을 용이하게 한다. 일반적으로 복부에서는 sub-costal scan 시 횡경막을 포함한 1~2cm의 시야가 확보되도록 설정한다. depth가 길어지게 되면 초음파 주행거리가 길어지게 되어 PRF(펄스반복주파수)가 떨어지게 된다. 이러한 경우 화면의 영상변환속도가 느려지게 되므로 과도한 depth의 설정은 시간 분해능(temporal resolution)을 저해 하게 된다. 실제 임상에서는 probe로부터 가까운 부위를 관찰 할 경우에는 depth를 낮추어 확대하여 관찰 하고 probe로부터 멀리 위치한 깊은 영역의 구조를 관찰 할 경우에는 depth를 높이어 충분히 화상에 깊은 부위가 포함되도록 하여 관찰 한다.
   

   Depth 세팅조절의 예 (Fig 7.)

   

   [Fig 7-1] Depth를 깊게 설정한 경우

   

   [Fig 7-2] Depth를 낮게 설정한 경우

   

   [Fig 7-3] depth 세팅을 깊게 설정한 경우 (횡경막 포함 전후의 영상)

   

   [Fig 7-4] 적절한 Depth 세팅의 예

   
   
   
7. Focus
   Focus란 초음파 빔(beam)의 폭(width)를 줄여주는 것으로 초음파 빔(beam)의 폭(width)이 가늘수록 lateral resolution(측방 분해능)이 좋아지게 된다. 보통 focal zone의 영역에서 해상력이 가장 좋게 되므로 검사부위에 focal zone을 위치시키면 영상을 좋게 할 수 있다.
   또한 focal zone은 초음파 강도(intensity)가 가장 영역으로 영상의 음향증강 (acoustic enhancement)의 효과를 볼 수 있다. 이러한 focus를 여러 개 둘 경우 (multi-focus) 에 해상력을 증가 시킬 수 있으나 focal point 의 수가 많아지면 focal point 수만큼 같은 과정을 반복해야 하기 때문에 frame rate는 이에 반비례하며 떨어지게 되므로 화면의 변환속도가 저해되어 시간 분해능(temporal resolution)이 떨어지게 되므로 적절한 focus 수의 조절이 필요하다.
   

   

   [Fig 8] Focal zone 의 영상 도해

   Focal zone은 beam의 width가 가장 좁아지는 부위로 focal zone 내에서 lateral resolution 이 가장 좋다. ( NFL: Near Field Length, FFL: Far Field Length )

   Focus 세팅의 조절 (Fig9.)

   

   [Fig 9-1])

   

   [Fig 9-2]

   Focal zone이 상단에 위치한 좌측의 nylon filament의 영상이 focal zone이 하단에 위치한 우측의 영상보다 lateral resolution이 좋다.(fig 9-1.) Focal zone가 상단에 위치한 좌측의 영상과 focal zone이 하단에 위치한 우측영상의 gain 차이가 보여진다.(Fig 9-2.) Focal zone의 위치를 조절하여 근거리 음장 영역(Near field length)을 길게 조절함으로써 초음파 beam의 투과력(penetration)과 far zone부위의 해상력을 증가 시킬 수 있다.
   
   
8. Zoom
   관심 있는 영역을 크게 확대해서 볼 수 있도록 하는 기능으로 zoom은 원하는 부분을 확대할 수 있도록 사용자가 zoom부분을 선택할 수 있다. zoom을 행하는 방법은 read zoom과 write zoom의 2가지 방법이 있다.
   
   
   1. Read zoom (post-processing)
      Read zoon은 DSC(Digital Scan Converter)에 저장되어 있는 data를 화면 표시를 위해 출력하는 과정이라고 정의하는데 이렇게 출력하는 과정에 확대를 하는 것을 read zoom이라 한다. read zoom은 원래의 data가 zoom에 맞게 변경되지 않아 data를 만들어 영상을 크게 하므로 영상의 질이 약간 저하될 가능성이 있는 반면, 보통 영상을 보며 zoom box를 이동시켜 원하는 영상 확대를 언제든지 할 수 있는 장점을 가진다.
      

      

      [Fig 10-1] Read zoom

      
      
   2. Write zoom (pre-processing)
      Memory에 data를 저장하는 과정을 write라 하는데 이 과정에 zoom을 행하는 방법을 write zoom이라 한다. 이 방법에서는 보통 영상에서 zoom하고자 하는 부분을 선택한 후 zoom된 영상을 다시 얻어 memory에 저장하게 된다. 이 방법의 장점은 memory에 저장할 때부터 확대된 영상을 얻어 저장하기 때문에 read zoom에 비해 영상의 저하가 적은 장점이 있다. read zoom과 write zoom을 구별하는 방법은 영상을 freeze시킨 후에도 zoom이 가능하면 read zoom이고 그렇지 못하면 write zoom이다.
      

      

      [Fig 10-2] Write zoom

[moya2722hj]

잘 봤습니다.새삼 기초가 중요하단 생각을 하게 되네요

[이상빈]

감사합니다.