[논문 리뷰] A gel wax phantom for performance evaluation in diagnostic ultrasound: assessment of image uniformity, geometric accuracy, and diameter of a hyperechoic target

Debjani Phani, R Varadarajulu외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 14.

Ultrasound Imaging and Elastography인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 초음파 성능 평가를 위한 저비용이고 안정적인 젤 웡 페phantom을 제시한다. 스테인리스 스틸 디스크와 나일론 필라멘트를 내장하여 영상 균일성, 기하 정확도 및 목표물 지름을 평가한다. 이 페phantom은 높은 안정성을 보였으며(62주 동안 부피 손실 1.8%), 초음파 영상에서 최대 거리 오차 7.1% 이내로 정확한 측정을 수행하여 진단 초음파 품질 관리에의 활용을 검증한다.

ABSTRACT

Purpose: To develop and validate a phantom for diagnostic ultrasound (US) scanners by embedding targets in gel wax to determine the image uniformity, lateral and axial resolution, and diameter of a stainless-steel disc. Materials and Methods: Acoustic property (AP), which includes the velocity of US (cus), acoustic impedance (Z), and attenuation coefficient in gel wax were determined. The cus, and attenuation coefficient were estimated using the pulse-echo technique. Z was obtained from the product of sample density ( {ho}) and cus. Two rectangular frames using polytetrafluoroethylene (PTFE) sheets with holes separated by 5, 10, and 20 mm distances were constructed. Nylon filaments and SS-disc (diameter = 16.8 mm) were threaded through the frames and suitably placed in melted gel wax to obtain orthogonal targets. The targets were measured using computerized tomography (CT) and a 2-9 MHz US probe. Results: The AP of gel wax were cus=1418 m/s, {ho}= 0.87 g/cm3, Z=1.23 MRayls, attenuation coefficient= 0.88 dB/cm/MHz. The results of US imaging of the targets were compared with their physical sizes and served as baselines for the scanner and probe. The maximum error in distance measurement in the phantom US images was 7.1%, and the phantom volume decreased by 1.8% over 62 weeks. Conclusion: Gel wax can be useful in developing affordable, highly stable, and customizable diagnostic US phantoms that can be implemented widely.

연구 동기 및 목표

• 진단 초음파 성능 평가를 위한 저비용, 안정적이고 커스터마이징이 가능한 페phantom 개발
• 초음파 영상에서 고에코릭 타겟의 영상 균일성, 기하 정확도 및 지름 측정 평가
• 젤 웡의 음향 특성을 진단 초음파 페phantom에 적합한 매질로 검증
• CT 및 초음파 영상의 물리적 측정을 기반으로 스캐너 및 프로브 성능의 기준 마련
• 저비용이고 접근 가능한 소재를 통해 임상 및 연구 현장에서의 페phantom 광범위한 구현 지원

제안 방법

• 펄스-에코 기법을 사용하여 젤 웡의 음향 특성을 측정하여 음속(cus), 음향 임피던스(Z), 감쇠 계수를 산정
• 5, 10, 20 mm 간격의 구멍을 가진 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 만든 두 개의 직사각형 프레임을 제작하여 타겟 위치를 정렬
• 녹인 젤 웡에 스테인리스 스틸 디스크(16.8 mm 지름)와 나일론 필라멘트를 내장하여 수직 타겟 형성
• 2–9 MHz 초음파 프로브와 CT를 사용하여 페phantom 스캔을 수행하고 물리적 치수를 검증
• CT로부터의 물리적 치수와 비교하여 초음파 영상의 균일성, 횡방향 및 축방향 해상도, 타겟 지름 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 젤 웡은 일관된 음향 특성을 지닌 안정적이고 저비용의 진단 초음파 페phantom 매질로 활용될 수 있는가?
• RQ2 물리적 측정과 비교할 때 초음파 시스템이 젤 웡 페phantom에서 거리 및 타겟 지름을 얼마나 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ3 시간이 지남에 따라 젤 웡 페phantom의 치수 및 음향 정합성은 어떤 정도로 유지되는가?
• RQ4 페phantom이 초음파 영상에서 영상 균일성 및 기하 정확도 평가에 얼마나 신뢰성 있게 기여하는가?
• RQ5 다양한 초음파 시스템에서 동일하게 재현되고 신뢰성 있게 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 젤 웡의 음향 특성은 다음과 같았다: 음속(cus) = 1418 m/s, 밀도(ρ) = 0.87 g/cm³, 음향 임피던스(Z) = 1.23 MRayls, 감쇠 계수 = 0.88 dB/cm/MHz.
• 초음파 영상와 물리적 치수 간의 거리 측정 최대 오차는 7.1%였으며, 이는 양호한 기하 정확도를 나타낸다.
• 62주 동안 페phantom 부피는 오직 1.8% 감소하여 높은 장기적 안정성을 입증했다.
• 페phantom은 영상 균일성 및 타겟 지름 평가에 일관되게 기여하였으며, CT 기반 물리적 측정과 유사한 결과를 도출했다.
• 스테인리스 스틸 디스크와 나일론 필라멘트의 사용으로 2차원 초음파 영상에서 고에코릭 타겟의 명확한 시각화 및 정확한 측정이 가능했다.