[Acoustics] Introduction to Elastography

이번 글에서는 초음파 영상 기술 중의 하나인 Elastography에 대하여 알아보도록 하겠다.

1. Elastography

▶ Medical Imaging Modaility의 한 종류

▶ Tissue의 단단함(Hard)과 부드러움(Soft)을 감지 → 진단 정보로 활용

▶ 유방암, 갑상선암, 전립선암 등의 진단에 활용됨

▶ Elasticity Imaging이라고도 함

1.1. 동작원리

▶ 일반적인 Elastography의 처리 순서

(1) Distortion 유도

▶ 신체의 표면을 누르거나 변형시키거나 진동시킴

▶ 집속초음파(Focused Ultrasound)를 이용하여 신체 내부(Tissue)를 압축

▶ 맥박, 심장박동에 의한 정상적인 생리작용에 의한 Distortion

(2) Tissue 반응 관찰

▶ 관찰에 이용할 Imaging Modality 선택: Ultrasound / MRI / Pressure/Stress 센서 등

(3) Tissue 반응 처리 및 디스플레이

▶ Stress-Strain 관계식 이용하여 Stiffness 계산 (σ = Eε)

▶ Shear Wave(전단파) 속도는 부드러운 Tissue 보다 단단한 Tissue에서 속도가 더 빠름

1.2. Ultrasound Elastography

Quasistatic Elastography / Strain Imaging

▶ Tissue에 외부 압력을 가함

▶ 상대 왜곡(Strain)을 디스플레이

▶ 상대 왜곡 이미지를 이용하여 정량화 Stiffness Map 생성

▶ 한계

  - 관찰하고자 하는 대상 오브젝트가 압력에 의해 이미지 밖으로 이동할 수 있음

  - 피부 표면에서 먼 조직은 관찰하기 어려움

ARFI(Acoustic Radiation Force Impulse Imaging)

▶ 초음파를 이용하여 Tissue Stiffness의 정량적 2D Tissue Stiffness Map을 생성함

▶ 집속초음파 빔으로 Tissue 내부를 Push 함 (Beam의 축방향으로 Push 됨)

▶ Tissue Stiffness Map 생성을 위해 여러 방향으로 초음파 방사

Shear Wave Elasticity Imaging(SWEI)

▶ 초음파를 이용하여 Tissue 내부를 Push한다는 점에서 ARFI와 유사

▶ ARFI와 달리 Shear Wave가 사용됨

▶ Shear Wave가 발생한 측면 위치에서 반대 측면 위치에 도달하는 속도를 측정하여 Tissue의 Stiffness를 계산

기타

Shearwave Dispersion Ultrasound Vibrometry(SDUV)

Harmonic Motion Imaging(HMI)

Comb-push Ultrasound Shear Elastography(CUSE)

Spatially Modulated Ultrasound Radiation Force(SMURF)

[ARFI와 SWEI의 차이점]

ARFI
SWEI


 ▶ Pushing Beam의 축을 따라 탄성 정보를 얻어 냄

 ▶ 다중 Push를 이용하여 2D Stiffness Map 생성



 ▶ Beam의 수직축을 따라 전파되는 Shear Wave를 이용

 ▶ Shear Wave를 이용하여 Elasticity Map을 생성

Super Sonic Shear Imaging(SSI)

▶ 가장 진보한 US Elastography 기법 중 하나

▶ Tissue Stiffness의 2D Map을 실시간으로 얻을 수 있음

  ☞ 인체 내부에 깊이 위치한 조직에 대하여 초당 10,000프레임 이상을 얻은 최초의 초음파 영상기술

▶ 동작원리: SWEI 방법을 기초로 함

  ARF → Tissue 내부의 관심 조직 Push → Shear Wave 발생 → Shear Wave 전파 속도 측정 → Shear 

  Wave 전파 속도로부터 Stiffness 계산

▶ Shear Wave 전파 속도 측정: Speckle을 추적하여 로컬 Tissue Velocity Map 생성

▶ 다양한 물성(기계적 성질, Mechanical Properties) 계산: E(영 계수), ν(포아송 비), 이방성 등

Transient Elastography

▶ Tissue Stiffness의 1D(라인) 이미지 획득

▶ 동작 원리: 모터로 피부를 진동시킴 → Tissue에 Distortion 전달 → Distortion에 따른 모션을 이미지 화

2. ARFI

▶ 암의 진단 및 모니터링을 위한 Elastography의 한 방법

▶ 초음파가 감쇠(흡수, 산란 등) 매질을 통해 전파되는 음파와 관련됨

▶ 동작 원리

   (1) 주파수 증가

   (2) Tissue는 양압(Positive Pressure)과 음압(Negative Pressue) 간의 전이(Transition)에 대해 충분히 빠르게

        반응하지 않음

   (3) 위상 변이(Phase Shift) 발생 + Tissue에 에너지 축적 (주로 열에너지)

   (4) 음파가 전달되는 방향으로 운동량(Momentum) 전달 + Tissue에 열 전달

   (5) 운동량 전달에 의해 Tissue의 변위(Displacement) 발생 (수 μm)

   (6) US RF 신호의 상관관계(Correlation)을 계산하여 변위 감지

   (7) Tissue에 대한 추가 정보(물성) 계산: σ = Eε, ε = Δl / l₀

3. SWEI

▶ 1990년대 중반 처음으로 제안 됨

▶ 원리: Shear Wave의 전파속도는 Shear Modulus(G)에 의해 지배됨

▶ Shear Modulus(G)는 탄성 계수 Young's Modulus(E)와 비례 관계가 있음

    * Young's Modulus는 변형(Deform)에 대한 일종의 저항, 즉 이 값이 클 수록 동일한 힘에 대한 변형이 작아짐

▶ Shear Modulus는 Tissue의 생리학적, 병리학적 구조에 매우 민감함

▶ 암 세포가 있는 Tissue는 정상 Tissue에 비해 단단(Stiff)해지며, 이로 인해 Shear Modulus가 증가하고, Shear Wave 전파속도는 빨라짐

▶ 관계식 (Tissue가 등방성(Isotropic)이며 균일(Homogeneous)하다고 가정)

    - Shear Wave 전파속도 측정 : v_s 

    - 로부터 G = ρv_s² 계산

    - E = 2G(1 + ν)로부터 E 계산