3. 삼차원 초음파 영상의 형성 원리 이해

삼차원 초음파 검사 

삼차원 초음파는 전산화단층촬영술, 자기공명영상과 마찬가지로 원하는 인체 부위에 대한 삼차원 체적 데이터를 얻어, 이차원 초음파에서 영상화할 수 없는 다양한 방향의 평면 영상을 구현해 삼차원 영상을 만들어내는 것을 말한다.

고식적인 이차원 초음파 영상은 기본적으로 검사자에 따라 초음파 영상 해석이 주관적이라는 단점이 있으며, 복잡한 삼차원 구조물인 인체 내부를 표현하는 데 한계가 있다. 이에 비해 삼차원 초음파는 영상 획득 후 컴퓨터를 통한 영상 재구성 과정을 통해서 검사자에 따른 의존도를 줄여 보다 객관적인 영상을 만들어낼 수 있고, 임상의 및 일반인에게도 이해하기 쉬운 직관적인 영상을 제공할 수 있다. 또한 초음파 스캔 후에도 다양한 평면의 삼차원 영상을 횟수에 구애받지 않고 만들 수 있기 때문에 특히 복잡한 형태의 구조를 가진 병변의 영상 해석에 도움을 줄 수 있어 초음파의 진단적 가치를 높일 수 있을 것으로 기대된다. 더욱이 최근에는 새로운 형태의 매트릭스 탐촉자의 개발을 비롯해 초음파 기기가 발전함에 따라 매우 복잡한 영상 기능을 빠르게 수행할 수 있게 되면서 삼차원 초음파 영상의 질뿐만 아니라 기능이 크게 향상됐다. 

삼차원 초음파 영상의 형성 원리 

삼차원 초음파 영상은 정보 획득, 영상재구성, 영상표시의 세 과정을 거쳐 만들어진다. 삼차원적 영상을 얻기 위해서는 우선 보고자 하는 부위에 대해 이차원적인 초음파 검사를 시행해 적절한 음 창과 관심 영역을 설정해야 한다. 초음파는 전산화단층촬영, 자기공명영상과 비교해 비교적 자유롭게 스캔할 수 있어 영상 획득에 융통성이 있다는 장점이 있으며, 관심 영역을 작게 하면 그만큼 영상 해상력을 높일 수 있고 불필요한 부분을 잘라내기 위한 후처리 과정이 간단해지기 때문에 관심 영역을 꼭 필요한 만큼만 최소로 포함하는 것이 중요하다. 삼차원 초음파의 영상 정보를 얻을 떄 사용하는 방법은 크게 세 가지가 있는데, 자유로운 탐촉자, 기계식 삼차원 탐촉자, 그리고 이차원 매트릭스 탐촉자로 나눌 수 있다.

자유로운 탐촉자는 이차원 초음파에서 쓰는 탐촉자에 스캔하는 탐촉자의 위치와 각도를 음향 또는 자기적 신호로 감지할 수 있는 탐촉자의 위치와 각도를 음향 또는 자기적 신호로 감지할 수 있는 장치인 원격 로컬라이저가 장착된 것을 말한다. 시술자가 관심 영역을 스캔하면 로컬라이저가 위치와 각도를 계산해 체적 데이터를 얻는 방식으로 스캔이 자유롭고 사용하기는 편리하나, 영상의 질이 시술자의 스캔 방식에 영향을 받는다는 단점이 있다. 또한 스캔 된 각 이차원 영상의 상대적인 위치가 미리 정해져 있지 않으므로, 검사자는 스캔 시 영상 사이에 간격이 발생하지 않도록 주의해야 한다.

기계식 탐촉자는 동력화된 장비로 연속적인 이차원 영상을 획득해 관심 영역의 체적 정보를 얻는 것으로, 탐촉자 종류에 따라 얻어지는 정보의 영역이 달라진다. 정해진 각도를 가지고 연속적으로 스캔하는 탐촉자의 경우 쐐기 모양의 체적 정보를 얻게 되고, 평행하게 움직이면서 스캔하는 경우 연속된 평행한 절단면들의 정보를 얻게 되어 직육면체 모양의 체적 정보를 얻게 되며, 경 직장 또는 경질 초음파 검사의 경우에는 탐촉자가 축을 따라 회전해 원뿔형의 정보를 얻게 된다.

이중 복부에서 주로 사용되는 방법은 탐촉자가 정해진 각을 가지고 공간 정보를 얻는 것이다.

그러나 기계식 삼차원 탐촉자는 모터와 탐촉자를 모두 가지고 있고 무겁고 부피가 커서 사용하기에 불편한 단점이 있다. 최근에 개발된 이차원 매트릭스 탐촉자는 피라미드 모양으로 초음파 펄스를 나누어 생성하며, 수천 개의 활성화된 원소들을 이용해 체적 정보를 얻을 수 있기 때문에 실시간 삼차원 영상을 만들어 낼 수 있을 뿐만 아니라, 고해상도의 다면 재구성 영상을 보여줄 수 있다. 또한 매트릭스 탐촉자는 호흡이나 움직임에 의한 허상으로 만들어지는 에러를 줄일 수 있고, 검사자의 숙련도에 덜 의존적이다.

삼차원 영상 재구성은 얻어진 이차원적 영상을 상대적인 위치와 방향에 맞게 배열해 삼차원적으로 묘사하는 과정을 말하며, 크게 형태를 근간으로 하는 방법과 복 셀을 근간으로 하는 두 가지 방식이 사용된다.

형태를 근간으로 하는 방식은 이차원 영상에서 관심 영역의 윤곽만을 그려내어 경계면을 삼차원 영상으로 표현하는 방식이다. 이 방법의 장점은 경계부에 대한 일부 정보만을 필요로 하기 떄문에 필요한 삼차원 정보의 양이 적고 삼차원 재구성에 걸리는 시간이 적다는 장점이 있다. 그러나 단순히 경계면만으로 해부학적 구조를 표현하기 떄문에 재구성 과정에서 조직의 기질이나 미묘한 해부학적 특징에 대한 중요한 정보를 잃게 된다.

복 셀을 근간으로 하는 방식은 좀 더 널리 사용되는 방법으로, 디지털화된 이차원 영상에서 얻어진 화소들을 수직 좌표축에 배열한 후 스캔 되지 않는 단면 사이의 정보를 보간법을 이용해 채우고 이를 토대로 체적을 얻는다. 이 방법은 삼차원 재구성 과정 동안 이차원 영상의 원래 정보를 유지하기 때문에 여러 가지 연출 기법을 반복적으로 적용할 수 있다는 장점이 있다. 다만 실시간으로 영상을 보거나 삼차원 정량적 측정을 함에 따라서 많은 양의 정보 파일을 만들기 때문에 시간이 오래 걸리고 필요로 하는 컴퓨터 메모리가 증가한다는 단점이 있다.

삼차원 영상의 짙은 영상 정보 획득 및 재구성 기법에 많은 영향을 받지만 실제로 검사자에게 전달되는 정보를 결정하는 것은 삼차원 영상을 표시하는 마지막 단계라 할 수 있다. 삼차원 영상 표시는 크게 세 가지로 나눌 수 있는데, 표면 연출 기법, 다 평면 재구성 기법, 용적 연출 기법이 대표적이다.