Ultrasound Elasticity Imaging Methods

정목근,권성재,Jeong, Mok-Kun,Kwon, Sung-Jae The Acoustical Society of Korea 2010 韓國音響學會誌 Vol.29 No.e1

The difference in echogenicity between cancerous and normal tissues is not quite distinguishable in ultrasound B-mode imaging. However, tumor or cancer in breast or prostate tends to be stiffer than the surrounding normal tissue. Thus, imaging the stiffness contrast between the two different tissue types is helpful for quantitative diagnosis, and such a method of imaging the elasticity of human tissue is collectively referred to as ultrasound elasticity imaging. Recently, elasticity imaging has established itself as an effective diagnostic modality in addition to ultrasound B-mode imaging. The purpose of this paper is to present various elasticity imaging methods that have been reported up to now and to describe their principles of operation and characteristics.

수신 채널 신호의 무게중심과 평탄도를 이용한 초음파 수동 공동 영상의 화질 개선

정목근,권성재,최민주,Jeong, Mok Kun,Kwon, Sung Jae,Choi, Min Joo 한국음향학회 2019 韓國音響學會誌 Vol.38 No.4

Passive cavitation imaging method is used to observe the ultrasonic waves generated when a group of bubbles collapses. A problem with passive cavitation imaging is a low resolution and large side lobe levels. Since ultrasound signals generated by passive cavitation take the form of a pulse, the amplitude distribution of signals received across the receive channels varies depending on the direction of incidence. Both the centroid and flatness were calculated to determine weights at imaging points in order to discriminate between the main and side lobe signals from the signal amplitude distribution of the received channel data and to reduce the side lobe levels. The centroid quantifies how the channel data are distributed across the receive channel, and the flatness measures the variance of the channel data. We applied the centroid weight and the flatness to the passive cavitation image constructed using the delay-and-sum focusing and minimum variance beamforming methods to improve the image quality. Using computer simulation and experiment, we show that the application of weighting in delay-and-sum and minimum variance beamforming reduces side lobe levels. 기포군이 파열하면서 발생하는 초음파를 관찰하기 위하여 수동 공동 영상법을 이용한다. 수동 공동 영상은 낮은 해상도와 큰 부엽이 문제이다. 수동 공동에서 발생하는 초음파 신호는 펄스 형태를 가지므로, 수신 어레이에 수신된 신호는 입사 방향에 따라서 트랜스듀서 배열 소자에 나타나는 신호의 크기 분포가 달라진다. 영상점에서 수신된 채널 데이터 신호의 크기 분포로부터 주엽과 부엽 신호의 유무를 판단하고 부엽을 줄이기 위하여 무게중심과 평탄도를 계산하여 영상점에서 가중값을 정의하였다. 무게중심은 수신 채널에서 신호의 분포가 집중된 위치를 수치화하며 평탄도는 채널 신호의 분산을 측정한다. 지연 후 더해주는 집속 방식과 최소 분산 빔포밍을 사용하여 구현된 수동 공동 영상에서 무게중심과 평탄도를 이용한 가중값을 적용하여 영상의 화질 개선에 적용하였다. 컴퓨터 시뮬레이션과 실험에서 지연 후 더해주는 방법과 최소 분산 빔포밍 방법에 가중값을 적용하여 영상에서 부엽이 줄어듦을 확인하였다. 고출력 초음파를 이용한 수조 실험에서도 부엽이 나타나는 영역이 줄어들어 수동 공동의 변별력이 증가함을 확인하였다.

Diffraction-Limited Beam for One Dimensional Array in Ultrasonic Imaging

정목근,송태경,박송배,Jeong, Mok-Geun,Song, Tae-Gyeong,Park, Song-Bae The Acoustical Society of Korea 1995 韓國音響學會誌 Vol.14 No.e2

A new solution to the two-dimensional scalar wave equation is presented, which descries a diffraction-limited beam maintaining the lateral field response expressed by the sinc function. Physically, it is a superposition of plane waves having different wavelengths traveling in different directions. The beam can attain a line focus with one-dimensional array transducer in ultrasonic medial imaging. 측방향의 음장 모양이 sinc 함수 형태를 갖고 제한 깊이까지 그 모양을 유지하는 새로운 범의 수학적인 해석방법을 제안하였다. 물리적으로 이러한 음장의 형성은 각각 다른 파장을 갖는 파가 다른 방향으로 진행할 때 그 파장들이 합성되면서 나타난다. 이러한 제한회절빔은 초음파 영상에서 선형 어레이로 구현될 수 있으며 제한 깊이 내에서 균일한 측방향 해상도를 얻을 수 있다.

초음파 의료영상에서 컴파운딩 기법을 이용한 초음파의 평균 음속도의 측정과 음속도 영상의 구현

정목근,권성재,최민주,Jeong, Mok-Kun,Kwon, Sung-Jae,Choi, Min-Joo 대한의용생체공학회 2009 의공학회지 Vol.30 No.3

Using a spatial compound imaging technique in a medical ultrasound imaging system, the average speed of sound in a medium of interest is measured, and imaging of its distribution is implemented. When the brightness reaches the highest level in an ultrasonic image obtained as the speed of sound used in focusing is varied, it turns out that the focusing has been accomplished satisfactorily and that the speed of sound which has been adopted becomes the sought-after average speed of sound. Because spatial compound imaging provides many different views of the same object, the adverse effect of erroneous speed-of-sound estimation tends to be more severe in compound imaging than in plain B-mode imaging. Thus, in compound imaging, the average speed of sound even in the case of speckled images can be accurately estimated by observing the brightness change due to different speeds of sound employed. Using this new method that offers spatial diversity, we can construct an image of the speed of sound distribution in a phantom embedded with a 10-mm diameter plastic cylinder whose speed of sound is different from that of the background. The speed of sound in the cylinder is found to be different from that of the surrounding medium.

의료용 초음파 영상 시스템에서 부엽과 격자엽의 억제

정목근,Jeong, Mok Kun 한국음향학회 2022 韓國音響學會誌 Vol.41 No.5

초음파 영상 시스템의 수신 집속 과정에서, 채널 데이터를 2차원 푸리에 변환하여 부엽과 격자엽을 억제하는 방법을 제안하였다. 영상점에서 온 신호를 집속하면 모든 채널의 신호는 같은 위상을 가지는 직류로 나타난다. 그러나 영상점 밖에서 오는 신호를 집속하면 입사각에 따라서 다른 공간 주파수를 가지는 채널 신호로 나타난다. 따라서 집속 후의 채널 신호를 2차원 푸리에변환을 하면 입사각을 가지는 신호를 주파수 영역에서 효과적으로 분리할 수 있다. 수신 집속 지연 시간이 인가된 시간-채널 데이터를 2차원 푸리에변환을 하여 주파수 영역에서 직류 성분과 그 밖의 주파수 성분으로 분리하고, 두 값의 비율을 이용하여 가중치를 정의하였다. 초음파 영상에 가중치를 곱함으로써 부엽과 격자엽을 억제하였다. 64채널 선형 어레이에서 5 MHz의 주파수의 초음파 영상을 계산하였다. 초음파 영상에서 나타나는 격자엽은 제안한 방법을 적용하여 완전히 제거되었다. 또한 부엽이 줄어들어 측방향 해상도가 크게 증가되었다. 인체모사 영상의 시뮬레이션에서 대조도가 증가하여 병변의 진단에 도움을 줄 수 있음을 확인하였다. We propose an effective method for suppressing both side and grating lobes by applying 2-dimensional Fourier Transform to the received channel data during the receive focusing process of an ultrasound imaging system. When the signal from the image point is focused, the channel signals have the same DC value across the channels. However, even after echoes from outside an imaging point are focused, they are manifested as having different spatial frequencies depending on their incident angles. Therefore, after the receive focusing delay time is applied, 2-D Fourier Transform is performed on the time-channel data to separate the DC component and other frequency components in the spectral domain, and the weighting value is defined using the ratio of the two values. The side lobe and grating lobe were suppressed by multiplying the ultrasound image by a weighting value. Ultrasound images with a frequency of 5 MHz were simulated in a 64-channel linear array. The grating lobe appearing in the ultrasound image was completely removed by applying the proposed method. In addition, the side lobe was reduced and the lateral resolution was greatly increased. Results of computer simulation on a human organ mimicking image show that the proposed method can aid in better lesion diagnosis by increasing the image contrast.

의료용 초음파 스트레인 영상 시스템의 실시간 구현

정목근(Mok-Kun Jeong),권성재(Sung-Jae Kwon),배무호(Moo-Ho Bae) 한국비파괴검사학회 2008 한국비파괴검사학회지 Vol.28 No.2

Comparison of Vibrational Displacements Generated by Different Types of Surface Source in a Soft Tissue

Jeong Man Park(박정만),Sung-Jae Kwon(권성재),Mok-Kun Jeong(정목근) 한국비파괴검사학회 2012 한국비파괴검사학회지 Vol.32 No.5

인체 연조직에서 기계적인 진동의 전달 특성은 조직의 탄성 특성에 의존한다. 연조직의 진동 특성으로부터 암이나 종양을 진단할 수 있기 때문에 진동의 전달 특성에 대한 연구는 중요한 의미를 가진다. 이 논문은 연조직의 표면에 위치하는 여러 형태의 응력 진동원에 의해 연조직 내에 발생되는 변위 패턴을 분석하고 비교하였다. 진동원으로는 수직하중, 접선하중, 그리고 면외전단하중이 고려되었다. 점탄성 단일층에서의 변위에 대한 이론적 표현식을 구하였고, 수치계산은 반공간 및 무한평판조직에서 수행되었다. 그리고 유한크기조직에서의 변위패턴을 유한요소법으로 시뮬레이션하였다. 응력 형태, 진동원 크기 및 주파수, 그리고 경계면이 변위에 미치는 영향이 분석되었다. The propagation characteristics of a mechanical wave in human soft tissue depend on its elastic properties. Investigation of these propagation characteristics is of paramount importance because it may enable us to diagnose cancer or tumor from the vibration response of the tissue. This paper investigates and compares displacement patterns generated in soft tissue due to several forms of low-frequency vibration sources placed on a surface. Among vibration sources considered are a normal load, tangential load, and antiplane shear load. We derive analytical expressions for displacements in viscoelastic single layers, and calculate displacement patterns in half space and infinite plate type tissue. Also, we simulate the vibration response of a finite-sized tissue using finite element method. The effects of the type of stress, the size and frequency of vibration sources, and medium boundaries on displacement patterns are discussed.

의료용 초음파탄성영상법

정목근(Mok-keun Jeong) 한국비파괴검사학회 2012 한국비파괴검사학회지 Vol.32 No.5

유방이나 전립선과 같은 연조직에서 발생하는 암이나 종양은 주위 조직보다 단단한 경향을 가진다. 하지만 초음파 B-mode 영상을 보면 암은 주위 조직과 거의 비슷하여 구별하기 어렵다. 따라서 조직의 단단한 정도를 영상화하면 더 정량적인 정보를 제공해 진단에 도움을 줄 수 있다. 초음파탄성영상은 측정하고자 하는 연조직에 기계적인 힘을 가하고 변형된 정도를 측정하여 영상화 한다. 탄성영상은 기존의 초음파 영상진단기법과 더불어 종양을 진단하는 유용한 방법으로 자리매김하고 있다. 본 논문에서는 지금까지 발표된 다양한 탄성영상 방법을 분류하고 각 방법의 원리, 특성 등을 살펴본다. Breast and prostate tumors or cancers tend to be stiffer than the surrounding normal tissue. However, the difference in echogenicity between cancerous and normal tissues is not clearly distinguishable in ultrasound B-mode imaging. Thus, imaging the stiffness contrast between the two different tissue types helps to diagnose lesions quantitatively, and such a method of imaging the elasticity of human tissue is termed ultrasound elasticity imaging. Recently, elasticity imaging has become an effective complementary diagnostic modality along with ultrasound B-mode imaging. This paper presents various elasticity imaging methods that have been reported up to now and describes their characteristics and principles of operation.

진단용 초음파 변형률 영상에서 전역 균일 신장에 의한 콘트라스트 향상

권성재,정목근,Kwon, Sung-Jae,Jeong, Mok-Kun 한국음향학회 2010 韓國音響學會誌 Vol.29 No.8

기존의 초음파 의료용 탄성영상에서 변형률 영상을 모니터에 표시할 때 인간 시각 특성을 반영하여 단단한 부위는 어둡게 표시하고 무를수록 밝게 나타낸다. 따라서 종양이나 암이 존재하는 단단한 부위는 어둡게 나타나서 병변 내부의 콘트라스트는 저하되어 나타난다. 병변 영역은 단단하여 변형률 영상에서 어둡게 나타나므로 병변 내부를 좀 더 자세히 진단하는 방법으로, 누른 후의 신호를 누른 변형률만큼 다시 신장시켜서 얻는 전역 균일 신장 방법을 적용하여 영상의 명암을 반전시킴으로써 병변 부분의 콘트라스트를 올리는 방법을 제안하였다. 의료용 초음파 영상 진단기를 이용하여 탄성 모사 팬텀에서 초음파 데이터를 얻어서 제안한 알고리즘을 검증하여 유용성을 확인하였다. 전역 균일 신장 없이 회색조 컬러 맵을 반전해서 얻은 변형률 영상법에 비해 콘트라스트 대 잡음비가 최대 1.8배 정도 향상되었다. In conventional diagnostic ultrasound strain imaging, when displaying strain image on a monitor, human visual characteristics are utilized such that hard regions are displayed as dark and soft regions are displayed as bright. Thus, hard regions representing tumor or cancer are displayed as dark, decreasing the contrast inside the lesion. Because the lesion area is stiff and thus displayed as dark, a method of inverting the image brightness and thereby increasing the contrast in the lesion for better diagnostic purposes is proposed wherein a postcompression signal is extended in the time domain by a factor corresponding to the reciprocal of the amount of the applied compression using a technique termed globally uniform stretching. Experiments were carried out to verify the proposed method on an ultrasound elasticity phantom with radio-frequency data acquired from a diagnostic ultrasound clinical scanner. It is found that the new method improves the contrast-to-noise ratio by a factor of up to about 1.8 compared to a conventional strain imaging method that employs a reversed gray color map without globally uniform stretching.

초음파 의료영상에서 지방조직의 음속도 불균일 효과의 영향과 그 보상에 관한 연구

김재현,배무호,정목근,Kim, Jae-Hyeon,Bae, Mu-Ho,Jeong, Mok-Geun 대한의용생체공학회 1998 의공학회지 Vol.19 No.1

본 논문은 초음파 의용 영상에서 인체내의 매질의 초음파 속도의 불균일에 의한 focusing의 저하에 대하여 논하였다. simulation환경으로, 인체 내의 매질 중 속도 값이 가장 큰 차이가 나는 지방(fat)을 일정한 두께로 모델링하였다. 그리고 초음파 빔의 굴절에 의한 진행경로의 변화와 속도차이에 따른 시간지연에 의한 해상도 저하를 구하였다. 그리고 이를 보상하는 방법으로, 보상에 계산량이 많이 필요한 굴절을 무시하고, 속도차에 의한 시간지연만 보상하는 방법을 제안하였다. 제안한 방법을 적용할 경우 현재의 실시간 디지털 focusing 시스템에서 쉽게 구현 가능하다. In this paper, we present the degradation of focusing induced by velocity inhomogeneity in human tissue. For simulation, the fatty layer which is the major factor of degradation for its lower velocity, is modeled as a uniform velocity perturbation layer. And we simulate the degradation of resolution resulting from change of beam path due to refraction and the time delay due to velocity difference. We show that focusing error can be compensated for considering the velocity inhomogeneity only. The proposed compensation method can be operated in real time in the presently used digital focusing systems.