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논문 소개
의료 초음파 영상에서 해상도(lateral 또는 axial resolution)와 침투 깊이(penentration)는 진단 정확도를 좌우하는 핵심 요소이지만, 기존 B-mode 빔포밍은 송신 초점이 고정되어 있어 전 깊이 영역에서 균일한 화질을 확보하는 데 한계가 있습니다. 이 논문은 Bidirectional Pixel-Based Focusing(BiPBF)을 이용한 Synthetic Aperture(SA) 영상 기법을 실제 임상 환경에서 정량, 정성적으로 평가한 연구로 팬텀 실험과 유방 병변 환자(in vivo) 데이터를 모두 포함하고 있습니다. 특히 단순한 영상 품질 비교를 넘어 방사선과 전문의의 블라인드 판독과 BI-RADS 기반 임상 평가를 병행함으로써 SA-BiPBF가 해상도, SNR(Signal-to-Noise Ratio), 침투 깊이를 개선하는 동시에 임상적 해석에 어떤 변화를 유도하는지 분석하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이는 이론/시뮬레이션에 머물러 있던 기존의 SA 연구를 실제 진단 맥락으로 확장한 점에서 의의를 가지고 있습니다.
배경
의료 초음파 영상에서 측방 해상도(lateral resolution)는 송/수신 집속 방식에 크게 의존한다. 기존의 B-mode 초음파 시스템은 높은 프레임율[>30 frames per second (fps)]을 유지하기 위해 송신 집속(transmit focusing)을 단일 깊이에 고정하고, 수신단에서만 동적 집속(dynamic receive focusing)을 적용한다. 이로 인해 실제로 two-way focusing이 만족되는 깊이는 송신 초점 인근으로 제한되며, 초점에서 벗어난 영역에서는 해상도와 신호대잡음비(Signal-to-Noise ratio; SNR)가 급격하게 저하되는 구조적 한계를 가진다.
이 문제를 완화하기 위해 다중 송신 초점(multizone transmit focusing, MZTF) 기법이 사용되어 왔다. MZTF는 여러 깊이에 대해 순차적으로 송신 집속을 수행함으로써 화질을 개선하지만, 송신 횟수 증가에 비례하여 프레임율이 감소하는 단점이 있다. 또한 Retrospective Dynamic Transmit Foucing(RDTF)과 같이 송신 빔의 디포커싱 효과를 사후 보정하는 접근도 제안되었으나, 매질의 불균질성과 깊이별 PSF(point spread function) 추정의 어려움으로 실제 임상 적용에는 제약이 따른다.
이러한 배경에서 Synthetic Aperture(SA) 기법이 대안으로 주목받아 왔다. SA는 여러 송신 이벤트에서 획득한 RF 데이터를 합성함으로써 전 깊이에서 이론적으로 균일한 측방 해상도(즉, two-way dynamic)를 달성할 수 있었다. 초기 SA 방식은 단일 소자 송신(single-element transmission)을 기반으로 하여 구조는 단순했으나, 송/수신 에너지가 제한되어 SNR이 낮고 너무 높은 side lobe level(~ -13 dB)로 인해 영상 퀄리티가 떨어지는 문제가 있었다. 이를 보완하기 위해 소수의 소자를 동시에 사용하는 defocused SA 기법이 제안되었지만, 특히 near-field 영역에서는 단일 소자 응답을 모사하기 위해 매우 작은 subaperture만 사용해야 하는 제약이 존재했다.
이 논문에서 다루는 Bidirectional Pixel-Based Focusing(BiPBF)은 이러한 기존 SA의 한계를 극복하기 위한 접근이다. BiPFB는 기존 B-mode와 동일한 송신 시퀀스를 사용하면서 인접 subaperture에서 획득한 RF 데이터를 픽셀 단위로 합성함으로써 SA의 공간 해상도 이점과 기존 방식의 높은 SNR을 동시에 확보할 수 있다. 특히 송신 초점을 virtual source로 해석하여 송/수신 양방향 지연을 계산함으로써, 전 영상 영역에서 실질적인 two-way dynamic focusing을 구현할 수 있다. 본 연구는 이러한 SA-BiPBF 기법이 기존 SA 및 전통적 빔포밍 대비 어떤 물리적/임상적 개선을 이룰 수 있는지를 체계적으로 검증하는데 초점을 둔다.
아이디어
이 논문의 핵심은 기존 Bidirectional Pixel-Based Focusing(BiPBF)을 기반으로 한 Synthetic Aperture(SA) 영상 기법을 실제 임상 환경에서 체계적으로 검증하는 데 있다. 따라서 “어떻게 구현할 것인가”보다는 “이 방식이 실제 진단 상황에 의미가 있는가”라는 질문에 답하기 위한 과정을 거친다.
기술적으로 BiPBF는 기존 B-mode 송신 방식을 그대로 유지하면서, 송신 초점을 virtual source로 해석하는 관점을 취한다. 송신 초점에서 방사된 파동을 가상의 점음원으로 간주하면 각 픽셀에 대해 송신 지연과 수신 지연을 독립적으로 계산할 수 있으며 이를 통해 픽셀 단위의 양방향 집속(two-way focusing)이 가능해진다. 여기에 여러 subaperture에서 획득한 RF 데이터를 합성함으로써, 기존 SA의 핵심 장점인 전 깊이에서의 균일한 측방 해상도를 유지하면서 단일 소자 기반 SA가 갖는 낮은 SNR 문제를 효과적으로 완화한다.
이 논문에서의 기여는 이런한 SA-BiPBF 구조를 팬텀 실험과 실제 유방 병변 환자 영상에 동시에 적용하고, 단순한 물리적 지표(SNR, CNR, 해상도, penentration depth 등)뿐 아니라 방사선과 전문의의 블라인드 판독 및 BI-RADS 평가를 통해 임상적 해석의 변화를 분석했다는 점이다. 다시 말해, 이 연구는 SA-BiPBF를 이론적으로 좋은 방법이 아니라, 임상 진단의 관점에서 장점과 한계를 동시에 드러내는 기술로 재정의함에 중요성이 있다.
시스템 구조
SA-BiPBF(Synthetic Aperture imaging with Bidirectional Pixel-Based Focusing)의 시스템 구조는 새로운 하드웨어나 송신 시퀀스를 도입하기보다 기존 B-mode 초음파 시스템에서 획득 가능한 prebeamformed RF 데이터를 어떻게 해석/합성할 것인가에 초점을 두고 있다. 송신과 수신을 분리된 과정으로 보지 않고, pixel 단위에서 양방향 집속(two-way dynamic focusing)을 수행하는 빔포밍 구조를 구성하게 된다.
먼저 송신 단계에서는 기존 B-mode 영상과 동일하게 다채널 subaperture를 사용하여 특정 깊이에 송신 집속을 수행한다. SA-BiPBF에서는 이 송신 초점을 단순한 집속 위치가 아니라 구면파가 전/후방으로 전파되는 가상의 점음원(virtual source)으로 해석한다. 이 관점에 따라 임의의 영상 픽셀(x, z)에 대해 송신 지연 시간은 송신 초점(xf, zf)과 픽셀 간의 기하학적 거리로부터 계산되며, 초점 전/후 영역에 따라 부호가 달라진다. 이를 통해 송신 집속 효과를 픽셀 단위로 재구성할 수 있다.
따라서 송신 지연 계산은 아래와 같이 계산될 수 있다.
여기서 c는 음속이다.
수신 단계에서는 기존의 동적 수신 집속과 동일하게, 각 수신 소자 위치와 픽셀 간의 거리를 기반으로 수신 지연을 계산한다. 동일한 영상 픽셀(x, z)에 대한 i번쨰 소자(xi, zi)의 수신 포커싱 지연은 다음과 같이 계산될 수 있다.
SA-BiPBF의 빔포밍은 이 송신 지연과 수신 지연을 합산한 시간 지연을 기준으로, 서로 다른 송신 위치에서 획득된 RF 데이터를 픽셀 단위로 정렬/합산하는 방식으로 수행된다. 이때, 계산된 합성 송신 및 수신 초점 지연을 사용하여 SA-BiPBF 빔포밍은 다음의 합으로 표현할 수 있다.
여러 개의 인접 subaperture에서 수집된 RF 데이터가 합성되며, 합성에 사용되는 subaperture 수(2M)가 증가할수록 synthetic transmit aperture가 확장된다.
이 구조의 중요한 특징은 송신을 기존 방식 그대로 유지하면서 합성 과정에서 synthetic transmit beamforming 효과가 나타난다는 점이다. 이론적으로 SA-BiPBF의 lateral beam patern은 기존 수신 집속에 의한 빔 패턴과, subaperture 합성으로 형성되는 송신 합성 빔 패턴의 곱으로 표현되며 이를 통해 전 깊이 영역에서 보다 균일한 lateral resolution을 확보할 수 있다. 동시에 다중 채널/ 다중 subaperture의 신호가 합산되기 때문에 단일 소자 기반 SA에서 문제가 되었던 SNR 저하가 크게 완화된다.
따라서 SA-BiPBF의 시스템 구조는 기존 초음파 시스템과의 높은 호환성을 유지하면서, virtual source 기반 송신 지연 계산과 픽셀 단위 RF 합성을 통해 two-way dynamic focusing을 실현하는 빔포밍 구조로 이해할 수 있다.
학습 및 추론, 실험
A. 실험 장비 및 데이터 획득 조건
모든 RF 데이터는 상용 초음파 스캐너(SonixTouch, SonicDAQ, Ultrasonix) 에 연구용 패키지를 탑재하여 획득되었다. 사용된 프로브는 선형 배열 트랜스듀서 L14-5/38이며, 유방 영상에서 preset으로 사용되는 [중심 주파수 10 MHz, 64 송/수신 subaperture]로 고정하였다. fractional bandwidth는 약 70%였다. 실험 전반에서 동일한 음향 출력(MI = 0.66)이 유지되어, 영상 품질 비교 시 출력 조건에 따른 편차를 배제하였다.
기존 B-mode 영상에서는 송신 초점이 팬텀 실험의 경우 20mm, in vivo 실험에서는 병변 위치에 따라 10~15mm로 조절되었다. 반면 SA-BiPBF의 경우 합성 가능한 subaperture의 수를 최대화하기 위해 송신 초점을 영상 영역의 제일 끝 또는 외부(phantom의 경우 50mm, in vivo의 경우 40mm)에 위치시켰다. 이는 SA-BiPBF의 구조적 특성을 반영한 설정으로, 전 깊이에서의 합성 효과를 극대화하기 위함이다.
B. 팬텀 실험 설계
팬텀 실험에는 CIRS Model 040 다조직 팬텀이 사용되었으며 내부에는 와이어 타깃, 무에코 실린더, 그레이스케일 타깃이 포함되어 있다. 영상 성능 비교는 아래 세 가지 빔포밍 방식 간에 이루어졌다. (1) Conventional B-mode (2) Multizone Transmit Focusing(MZTF) (3) SA-BiPBF (2M=64)
모든 영상은 동일한 Dynamic Range(60 dB)로 로그 압축되어 시각적 비교가 가능하도록 하였다.
C. 평가 지표 정의
정량 평가는 네가지 지표를 중심으로 수행되었다.
(1) 측방 해상도(lateral resolution): 와이어 타깃의 −6 dB 폭(FWHM)을 깊이별로 측정 (2) CNR(Contrast-to-Noise Ratio): 병변과 배경 영역의 평균 신호 및 분산을 이용해 계산 (3) SNR: 송신 없이 획득한 시스템 노이즈 데이터를 기준으로 깊이별 echo/noise 파워 비율 산출 (4) 침투 깊이: echo 신호 파워가 노이즈 파워와 같아지는 지점으로 정의
SNR 곡선의 안정적인 분석을 위해 cutoff frequency=0.06 & 21-tap low pass FIR 필터가 적용되었으며 모든 지표는 동일한 ROI 조건에서 계산되었다.
D. 팬텀 실험 결과
Conventional 및 MZTF 방식은 송신 초점 근처에서 우수한 해상도를 보였으나 초점에서 멀어질수록 해상도가 급격히 저하되는 경향을 보였다. 반면 SA-BiPBF는 전 깊이에 걸쳐 균일한 측방 해상도를 유지하였다. 특히 40mm 깊이에서는 conventional 대비 약 95%의 해상도 개선이 관찰되었다. 다만 near-field 영역에서는 위상 보상이 완전하지 않아 SA-BiPBF의 해상도가 다소 열화되는 현상도 함께 보였다(Fig. 3, Fig. 4.).
SNR 분석에서는 SA-BiPBF가 전 깊이에 걸쳐 상대적으로 높은 값을 유지하였으며, conventional 및 MZTF 방식이 특정 송신 초점 깊이에서만 높은 SNR을 보이는 것과 대조적이었다(Fig. 5.). 침투 깊이 역시 SA-BiPBF에서 유의하게 증가하여, 더 깊은 영역의 구조물이 시각적으로 확인 가능함을 보여주었다(Fig. 6.). CNR의 경우 SA-BiPBF가 conventional보다 소폭 향상되었으나, 공간 해상도 증가에 따른 speckle 분산 증가로 인해 개선 폭은 제한적이었다(Table 1.).
E. In Vivo 유방 영상 실험
In vivo 실험은 유방 병변 환자 10명(양성 5, 악성 5) 을 대상으로 수행되었다. 모든 병변은 조직검사 또는 수술 결과로 확진되었으며, 각 환자에 대해 conventional 영상과 SA-BiPBF 영상이 순차적으로 획득되었다. SA-BiPBF에서는 2M = 32 설정이 사용되었다.
정량 평가 결과, SA-BiPBF는 평균적으로 CNR과 SNR 모두에서 conventional 방식보다 높은 값을 보였다. 특히 SNR 개선은 통계적으로 유의미한 수준이었으나, CNR 개선은 통계적 유의성에 도달하지는 못했다(Table 2.).
F. 방사선과 전문의 블라인드 평가
두 명의 방사선과 전문의는 영상 획득 방식에 대한 정보 없이 무작위로 배열된 영상 쌍을 비교 평가하였다. 평가 기준은 병변의 conspicuity, margin sharpness, contrast, 심부 구조 해상도였다. 전반적으로 SA-BiPBF 영상은 병변 경계가 더 명확하고 심부 구조의 해상도가 향상되어 임상적 판독에 유리하다는 평가를 받았다.
다만 모든 변화가 긍정적으로 해석되지는 않았다. 예를 들어, 강한 반사체(뼈) 인근에서는 반사 아티팩트가 오히려 강조되거나, 일부 경우에서는 기존에 악성 지표로 활용되던 edge shadowing 아티팩트가 감소하여 판독 기준에 혼선을 줄 가능성도 지적되었다. BI-RADS 및 ROC 분석에서도 SA-BiPBF가 다소 높은 AUC를 보였으나 표본 수가 제한적이어서 통계적 유의성은 확보되지 않았다.
결과 해석
본 연구의 결과는 SA-BiPBF가 기존 B-mode 및 MZTF 대비 물리적 영상 품질을 일관되게 향상시킬 수 있음을 보여주지만 그 개선이 항상 임상적 이점으로 직결되지 않음을 동시에 시사하고 있다. 팬텀 실험에서는 전 깊이에 걸친 측방 해상도 균일화, SNR 증가, 침투 깊이 확장이 명확히 확인되었으며, 이는 synthetic aperture 합성과 양방향 픽셀 집속이라는 구조적 장점이 실험적으로 입증된 결과라 할 수 있다. 특히 심부 영역에서의 해상도 및 SNR 개선은 기존 고정 송신 초점 방식이 갖는 근본적 한계를 효과적으로 보완한다.
그러나 in vivo 실험에서는 이러한 물리적 개선이 영상의 시각적 특성과 판독 기준을 변화시키는 양면성을 드러냈다. 병변의 경계 선명도와 심부 구조 가시성은 향상되었지만 반사 아티팩트의 강조나 기존 악성 지표로 활용되던 edge shadowing의 감소는 판독자에게 혼란을 줄 가능성도 존재한다.
따라서 SA-BiPBF는 “더 선명한 영상”을 제공하지만, 그 선명함이 항상 “더 쉬운 진단”으로 인식되지는 않음을 알 수 있다. 이는 고해상도/고SNR 영상이 임상적 해석 체계와 함께 재정립되어야 함을 의미하며 본 논문의 핵심 기여는 성능 향상 자체보다 영상 품질 개선이 임상 판단에 미치는 영향까지 드러냈다는 점에 있다.
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