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김미지,박연성,윤창한,Kim, Mi-Ji,Park, Yeon-Seong,Yoon, Changhan 한국음향학회 2019 韓國音響學會誌 Vol.38 No.4
광음향 영상 기술은 광학영상 및 초음파영상 기법을 융합한 영상 기술로 높은 공간 해상도 및 대조도의 영상을 실시간으로 제공이 가능하다. 광음향 영상은 전임상 연구에서 많은 연구가 진행되었으며 최근 광음향 영상의 임상적 응용을 위한 연구에 많은 노력을 기울이고 있다. 본 논문은 광음향 영상을 이용한 원발 종양 및 전이 진단 기술 연구 현황에 대해 소개하고 임상적용을 위한 문제점에 대해서 알아보도록 한다. Photoacoustic imaging is a hybrid real-time imaging technique that combines high optical contrast and ultrasonic resolution. It has primarily been utilized in pre-clinical research and has evolved into clinical practice. In this paper, we review photoacosutic imaging for detection of primary canccer and metastatis and its limitation in translation from pre-clinical to clinical application.
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혈관내 광음향 영상을 위한 고주파수 초음파 수신 변환기 제작 및 평가
이준수,장진호,Lee, Jun-Su,Chang, Jin Ho 한국음향학회 2014 韓國音響學會誌 Vol.33 No.5
Photoacoustic imaging is a useful tool for the diagnosis of atherosclerosis because it is capable of providing anatomical and pathological information at the same time. A photoacoustic signal detector is a pivotal element to achieve high spatial resolution, so that it should have broadband spectrum with a high center frequency. Since a photoacoustic imaging probe is directly inserted into blood vessel to diagnose atherosclerosis, the total size of the photoacoustic signal detector should be less than 1 mm. The main purpose of this paper is to demonstrate that PVDF can be used as an active material for the photoacoustic signal detector with a high frequency and broadband characteristic. The photoacoustic signal detector developed in this study was a single element ultrasound transducer with an aperture of $0.5{\times}0.5mm$ and the total size of 1 mm. In the design stage, the natural focal depth was adjusted for an effective focal area to cover the region of interest, i.e., 1~5 mm in depth. This was because geometrical focusing could not be used due to the small aperture. Through a pulse-echo test, it was ascertained that the developed photoacoustic signal detector has the -6 dB bandwidth ranging between 40.1 and 112.8 MHz and the center frequency of 76.83 MHz. 광음향 영상은 조직의 형태학적 정보뿐만 아니라 병리학적 정보도 함께 제공할 수 있어 죽상동맥경화증 진단에 유용하게 사용될 수 있다. 높은 해상도의 광음향 영상을 획득하기 위해서는 광음향 신호를 수신할 초음파 변환기가 고주파수 및 광대역 특성을 가져야만 한다. 또한 죽상동맥경화증 진단을 위해서는 혈관에 변환기를 직접 삽입하여 광음향 영상 신호를 획득해야하기 때문에 그 크기가 1 mm 이하가 되어야만 한다. 본 논문에서는 PVDF 압전 소재를 이용하여 혈관내 광음향 영상을 위한 고주파수, 광대역 특성을 갖는 초음파 변환기 제작이 가능함을 보였다. 개발한 광음향 수신 변환기는 단일소자이며 구경은 $0.5{\times}0.5mm$이고 전체 변환기 크기는 직경이 1 mm이내가 되도록 하였다. 작은 크기로 인해 형태학적 빔집속이 아닌 자연집속 깊이를 조절하여 관심영역(1~5 mm)에서 빔집속이 되도록 설계하였다. 제작한 혈관내 광음향 수신 변환기의 주파수 특성을 펄스-에코 응답실험을 통해 알아보았다. 제작된 변환기는 -6 dB 대역폭이 40.1~112.8 MHz이며, 중심 주파수가 76.83 MHz인 고주파수 및 광대역 특성을 갖는다는 것을 실험적으로 확인하였다.
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실시간 초음파 영상을 위한 빔형성 및 포락선 검파의 GPU 가속 신호 처리
이원지,이명기 한국물리학회 2017 새물리 Vol.67 No.1
의료 영상 적용 분야에서 실시간 영상 재생을 위해 고속 신호 및 영상 처리는 필수 요건이다. 광음향 단층 촬영은 비침습적 방법으로 고해상도의 구조와 기능 및 분자 영상을 제공하는데, 특히, 3차원 영상 재구성, 기능 영상 및 실시간 영상 재생 등에는 빠른 신호 처리가 요구된다. 본 연구에서 우리는 실시간 영상 재생을 위해 그래픽 처리 장치(GPU)를 이용해 초음파 혹은 광음향 단층 촬영 등의 B-모드 영상을 재구성하는 고속 영상 신호 처리 방법을 제안한다. 영상 재구성에 요구되는 빔형성과 포락선 검파 과정을 대량의 GPU 코어를 이용한 병렬 계산으로 신호 처리 속도가 개선되었다. 기존의 신호 처리 방법인 중앙처리장치만(CPU)을 이용했을 경우 128 $\times$ 3200 픽셀 크기의 B-모드 영상 한 프레임의 신호 처리에 걸린 시간이 3.165 초인 반면에, GPU를 이용한 경우 평균적으로 2.778 ms로 3차원 영상 재구성 및 실시간 영상 재생 등을 위해 충분히 짧은 시간이었다. High-speed signal processing is essential for real-time displays in medical imaging applications. Photoacoustic tomography provides structural, functional, and molecular imaging with high resolution in a noninvasive way. Especially, three-dimensional image reconstruction, functional imaging, and real-time display require fast signal processing. Here, we provide a high-speed signal processing method using a graphic processing unit (GPU) to reconstruct ultrasound or photoacoustic B-mode images for real-time displays. The signal processing speed was improved by parallel processing of the beam formation and the envelop detection required for image reconstruction using a massive number of GPU cores. The time using a GPU was 2.778 ms, on average, to process a single-frame B-mode image with 128 $\times$ 3200 pixels while it was about 3.165 seconds using a central processing unit (CPU). The processing time using a GPU was short enough to reconstruct three-dimensional images for real-time displays.
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바이오 응용을 위한 초음파 및 광학 기반 다중 모달 영상 기술
이문환,박희연,이경수,김세웅,김지훈,황재윤 한국음향학회 2023 韓國音響學會誌 Vol.42 No.5
이 연구는 초음파 광학 영상 기반의 다중 모달 영상 기술에 대한 최신 연구 동향과 응용 가능성에 대해 조사하였다. 초음파 영상은 실시간 영상 기능을 가지고 있으며 인체에 상대적으로 안전한 특성으로 인해 의료 분야에서 다양한질병의 진단에 사용되고 있다. 그러나 초음파 영상은 해상도가 낮은 한계가 있어 진단 정확도를 향상시키기 위해 다른광학 영상과의 결합을 통한 다중 모달 영상 기술 개발 연구가 진행되고 있다. 특히 초음파 광학 영상 기반의 다중 모달영상 기술은 각각의 영상 기법의 장점을 극대화하고 단점을 보완함으로써 질병 진단 정확도를 향상시킬 수 있는 수단으로 사용되고 있다. 이러한 기술은 초음파의 실시간 영상 기능과 광간섭 단층 영상 융합 기술, 초음파 광음향 다중 모달영상 기술, 초음파 형광 다중 모달 영상 기술, 초음파 형광 시정수 다중 모달 영상 기술 및 초음파 분광 다중 모달 영상기술 등 다양한 형태로 제안되고 있다. 본 연구에서는 이러한 초음파 광학 영상 기반의 다중 모달 영상 기술의 최신 연구동향을 소개하고, 의학 및 바이오 분야에서의 응용 가능성을 조사하였다. 이를 통해 초음파와 광학 기술의 융합이 어떻게 진행되고 있는지에 대한 통찰력을 제공하고, 의료 분야에서의 진단 정확도 향상을 위한 새로운 접근 방식에 대한기반을 마련하였다. This study explores recent research trends and potential applications of ultrasound optical imaging-based multimodal technology. Ultrasound imaging has been widely utilized in medical diagnostics due to its real-time capability and relative safety. However, the drawback of low resolution in ultrasound imaging has prompted active research on multimodal imaging techniques that combine ultrasound with other imaging modalities to enhance diagnostic accuracy. In particular, ultrasound optical imaging-based multimodal technology enables the utilization of each modality's advantages while compensating for their limitations, offering a means to improve the accuracy of the diagnosis. Various forms of multimodal imaging techniques have been proposed, including the fusion of optical coherence tomography, photoacoustic, fluorescence, fluorescence lifetime, and spectral technology with ultrasound. This study investigates recent research trends in ultrasound optical imaging-based multimodal technology, and its potential applications are demonstrated in the biomedical field. The ultrasound optical imaging-based multimodal technology provides insights into the progress of integrating ultrasound and optical technologies, laying the foundation for novel approaches to enhance diagnostic accuracy in the biomedical domain.
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광음향 영상화를 위한 PMN-PZT 바늘형 수중청음기 제작
하강렬,김무준,강현욱,오정환,Ha, Kanglyeol,Kim, Moojoon,Kang, Hyun Wook,Oh, Junghwan 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.3
수 MHz의 초음파를 이용하는 저주파 광음향 영상장치에 적용하는 것을 목적으로 압전단결정 PMN-PZT를 사용한 바늘형 수중청음기를 설계 제작하고, 그 특성을 수신감도가 알려져 있는 상용 PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 수중청음기와 비교하여 평가하였다. 설계한 수중청음기의 임펄스응답을 KLM 모델에 의해 시뮬레이션한 결과, $50{\Omega}$의 종단 임피던스에 걸리는 최대 전압을 기준으로 한 수신감도는 -261.6 dB re $1V/{\mu}Pa$이며, 2 ~ 12 MHz 대역에서 5 dB 이내의 비교적 평탄한 특성을 가지는 것으로 예측되었다. 제작한 수중청음기의 수신감도를 순음 펄스를 사용하여 측정한 결과, 측정 가능한 2 ~ 8 MHz 대역에서 상용의 수중청음기에 비해 평균 10.9 dB 높게 나타났으며, 그 값은 $-255.8{\pm}2.8$ dB re $1V/{\mu}Pa$이었다. 나아가, 제작한 수중청음기를 기계주사형 광음향 영상장치에 적용하여 머리카락에 대한 영상을 획득하였는바, 수신된 광음향 신호가 상용의 것보다 크고, 영상 또한 우수함을 알았다. For application to several MHz photoacoustic imaging systems, a needle hydrophone was designed and fabricated by using PMN-PZT piezoelectric single crystal, and its characteristics were evaluated through comparison with a commercial PVDF(Polybinylidene Fluoride) hydrophone of which receiving sensitivity is known. The simulation using the KLM model results show that the peak receiving impulse response for $50{\Omega}$ terminating impedance of the fabricated hydrophone is -261.6 dB re $1V/{\mu}Pa$ and the frequency response is relatively flat over 2 ~ 12 MHz with fluctuation less than 5 dB. The measurement results using tone burst signals also show that it has higher (ave. 10.9 dB) sensitivity than the commercial hydrophone in 2 ~ 8 MHz, and the receiving sensitivity of $-255.8{\pm}2.8$ dB re $1V/{\mu}Pa$ was measured for the fabricated hydrophone. In addition, it is known that the photoacoustic signals and the image of a hair obtained by a mechanical scanned photoacoustic imaging system with the fabricated hydrophone were bigger and better than those obtained with the commercial hydrophone.
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