차분-평균 B-mode 기반 실시간 히스토트립시 캐비테이션 맵핑

국문 초록 (Abstract)

히스토트립시는 고강도 집속 초음파를 이용하여 음향 초점에서 캐비테이션을 유도하고 조직을 기계적으로 분해하는 비열적 절제 기법이다. 이는 비침습성과 선택적 절제라는 장점에도 불구하고 초점이 정상 조직으로 빗나가거나 치료 강도가 과대 혹은 과소평가될 경우 예기치 않은 조직 손상 유발 및 미비한 치료 효과가 발생할 수 있다. 이에 따라 치료 중 캐비테이션 초점의 위치와 환부 크기를 실시간으로 관찰하는 기술이 필수적이다. 현재 널리 사용되는 모니터링 기법 중 하나인 수동 음향 맵핑(Passive Acoustic Mapping, PAM)은 치료 중 버블에서 방출되는 광대역 음향 신호를 수신 어레이로 획득한 뒤 빔포밍하여 캐비테이션 음원 분포를 추정함으로써 초점 위치를 가시화한다. 그러나 PAM은 채널 데이터 접근과 추가 연산 자원, 복잡한 빔포밍 절차를 요구하므로 일반 진단용 시스템에 곧바로 적용하기 어렵고, 경우에 따라 깊이 방향으로 초점이 과도하게 늘어지는 형상 왜곡이 발생할 수 있다. 한편, 보다 보편적인 진단 장비 기반의 모니터링을 위해 B-mode 영상을 활용하려는 접근이 가능하지만, 히스토트립시 송신 시 방사되는 강한 간섭 신호와 라인-바이-라인 스캔 특성으로 인해 줄무늬 형태의 간섭 패턴이 발생하여 초점 대비가 크게 저하된다는 한계가 있다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 상용 진단용 B-mode 시스템만을 이용하여 히스토트립시 캐비테이션 초점을 맵핑하는 다중 프레임 차분 평균 기반 B-mode 캐비테이션 맵핑 기법을 제안하였다. 낮은 듀티 사이클로 구동되는 히스토트립시 펄스의 송신 주기, 펄스 폭, 스캔라인 수를 바탕으로 한 프레임 내 HIFU 간섭 라인 집합의 분포를 모델링하고, 스캔라인 축을 원형으로 간주한 원형 거리 개념을 도입하여 서로 다른 프레임 간 HIFU 간섭 대역이 겹치지 않는 최대 비중첩 프레임 수 F*를 도출하였다. 이후 비중첩 조건을 만족하는 프레임 쌍에 대해 차분 영상을 계산하고 다중 프레임 차분 평균을 수행함으로써, 정지 조직 성분은 상쇄하고 시간적으로 반복되는 캐비테이션 산란만 누적·강조 되도록 하는 B-mode 기반 캐비테이션 맵핑 알고리즘을 구현하였다. 젤라틴 기반 조직 모사 팬텀에서 다섯 개 초점 위치에 대해 히스토트립시 펄스를 조사하고, 동일 조건에서 획득한 B-mode 차분 맵핑 이미지와 PAM 이미지, 일반 B-mode 이미지 및 팬텀 단면에서 계측한 실제 손상 크기를 비교하여 제안 기법의 타당성을 검증하였다. 그 결과, 비중첩 조건을 만족하는 B-mode 차분 이미지에서 –12 dB 등위선을 기준으로 정의한 초점 반경이 실제 손상 경계와 가장 잘 일치하였으며 평균 크기 오차는 약 -3.82%로 확인되었다. 또한 제안 기법은 일반 B-mode 영상 대비 약 6.04 dB의 추가적인 초점–배경 대비 향상을 제공하였고, PAM에서 관찰되는 깊이 방향 초점 확장 경향을 완화하면서도 캐비테이션 초점의 위치와 크기를 안정적으로 재현하였다. 따라서 본 연구는 단일 진단용 트랜스듀서 기반으로 히스토트립시 초점을 정량적으로 맵핑할 수 있는 실용적 방법을 제시하며, 저강도 탐색 펄스 단계에서의 초점 위치 피드백과 치료 강도 및 종료 시점 판단을 지원함으로써 비침습적 초음파 치료의 안전성과 정밀도를 향상시킬 수 있는 기반을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 히스토트립시 모니터링 개요 5
• 2.1 히스토트립시 유도 캐비테이션의 물리적 배경과 신호 특성 5
• 2.2 어레이 트랜스듀서를 활용한 라인-바이-라인 송수신 방법 7
• 2.3 어레이 트랜스듀서를 활용한 수동 음향 맵핑 기법 10
• Ⅲ. 차분 평균 기반의 캐비테이션 맵핑 기법 13
• 3.1 프레임 차분 데이터 13
• 3.2 최대 비중첩 프레임 쌍의 일반식 18
• 3.3 일반 조건에서의 비중첩 프레임 최적화 21
• 3.4 실험 환경 구성 25
• 3.5 성능 평가 지표 31
• Ⅳ. 실험 결과 및 성능 평가 33
• 4.1 정성적 평가 33
• 4.2 정량적 평가 48
• Ⅴ. 결론 및 추후과제 53
• 5.1 결론 53
• 5.2 추후 과제 55
• 참고문헌 56
• Abstract 60