탄성 영상
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1. 개요
탄성 영상은 조직의 경직도를 측정하여 질병을 진단하는 기술이다. 수동 촉진의 한계를 극복하기 위해 개발되었으며, 조직에 변형을 가하고 반응을 관찰하여 기계적 특성을 파악한다. 주요 기술로는 초음파 탄성 영상, 자기 공명 탄성 영상(MRE), 광학 탄성 영상 등이 있으며, 각 기술은 변형 유발 방식과 반응 관찰 방식에 따라 분류된다. 탄성 영상은 간, 유방, 갑상선, 전립선, 근골격계 등 다양한 질환의 진단에 활용되며, 생검을 대체하거나 보조하는 비침습적인 방법으로 사용된다.
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| 탄성 영상 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 탄성 영상 |
| 설명 | 연조직의 탄성 및 경직도 정도를 매핑하는 여러 영상 기법을 지칭 |
| 종류 | |
| 정적 탄성 영상 | 조직을 압축하여 변형을 유발하고, 압축 전후의 영상 변화를 분석하여 탄성 정보를 얻음 |
| 동적 탄성 영상 | 외부 진동 또는 초음파를 이용하여 조직에 전단파를 발생시키고, 전단파의 속도 변화를 측정하여 탄성 정보를 얻음 |
| 응용 분야 | |
| 유방암 진단 | 유방 종양의 양성/악성 여부 판단 |
| 간 섬유화 진단 | 간 조직의 경직도 변화를 평가하여 간 섬유화 진행 정도를 파악 |
| 갑상선 질환 진단 | 갑상선 결절의 악성 여부 판단 |
| 근골격계 질환 진단 | 근육, 인대, 힘줄 등의 탄성 변화를 평가하여 질환 유무를 판단 |
| 기타 | 다양한 조직 및 장기의 탄성 정보를 이용하여 질병 진단 및 치료 효과 평가 |
2. 역사적 배경
촉진은 의료 종사자가 손으로 사람이나 동물의 조직 경직도를 느끼는 행위이다. 수동 촉진은 적어도 기원전 1500년으로 거슬러 올라가며, 에버스 파피루스와 에드윈 스미스 파피루스 모두 촉진을 이용한 진단에 대한 지침을 제공한다.[3] 고대 그리스에서 히포크라테스는 유방, 상처, 창자, 궤양, 자궁, 피부 및 종양의 촉진을 포함하여 촉진을 이용한 다양한 형태의 진단에 대한 지침을 제공했다. 현대 서구 세계에서 촉진은 1930년대에 존경받는 진단 방법으로 간주되었다.[3] 그 이후로 촉진은 널리 퍼졌으며 종양 및 기타 병리를 감지하는 효과적인 방법으로 간주된다.
탄성 영상 기법은 초기 연구 단계에서 광범위한 임상 적용에 이르기까지 다양하게 개발되고 있다. 모든 탄성 영상 기법은 공통적으로 조직에 왜곡을 가하고, 조직의 반응을 관찰 및 처리하여 조직의 기계적 특성을 추론한 다음, 그 결과를 연산자에게 이미지 형태로 표시한다. 각 탄성 영상 방법은 이러한 단계를 수행하는 방식에 따라 특징지어진다.
수동 촉진에는 몇 가지 중요한 제한 사항이 있다. 즉, 의사의 손이 닿는 조직으로 제한되고, 개입된 조직에 의해 왜곡되며, 정성적이지만 정량적이지 않다. 탄성 영상은 조직의 경직도 측정으로, 이러한 문제를 해결하고자 한다.
3. 작동 원리
초음파는 전파 계수의 차이를 이용하여 생체 조직의 탄성률, 즉 강성을 가시화하며, 비침습적으로 검사할 수 있다. 생체 조직은 간경변과 같은 병변 부위가 건강한 부분과 초음파 전파 계수가 다르기 때문에 이를 이용하여 병변 부위를 가시화할 수 있다.[39]
3. 1. 변형 유발
조직의 기계적 특성을 영상화하려면, 변형되었을 때 어떻게 반응하는지 관찰해야 한다. 관찰을 위해 왜곡을 유발하는 세 가지 주요 방법은 다음과 같다.[3]3. 2. 반응 관찰
촉진은 의료 종사자가 손으로 사람이나 동물의 조직 경직도를 느끼는 행위이다. 수동 촉진은 기원전 1500년 에버스 파피루스와 에드윈 스미스 파피루스에 기록될 정도로 오래되었으며, 고대 그리스의 히포크라테스는 유방, 상처, 종양 등 다양한 진단에 촉진을 활용했다. 1930년대 서구 세계에서 촉진은 존경받는 진단 방법으로 여겨졌고, 이후 널리 퍼져 종양 등을 감지하는 효과적인 방법으로 간주된다.[3]
하지만 수동 촉진은 의사가 닿을 수 있는 조직으로 제한되고, 개입된 조직에 의해 왜곡되며, 정성적이라는 한계가 있다. 탄성 영상은 이러한 문제를 해결하고자 조직 경직도를 측정한다.
탄성 영상 기법은 초기 연구 단계에서 광범위한 임상 적용에 이르기까지 다양하게 개발되고 있다. 이러한 기법들은 조직에 왜곡을 가하고, 조직의 반응을 관찰 및 처리하여 기계적 특성을 추론한 다음, 결과를 연산자에게 이미지 형태로 표시한다.
탄성 영상 기술은 반응을 관찰하기 위해 어떤 영상 방식(유형)을 사용하는가에 따라 분류된다. 의료 초음파, 자기 공명 영상(MRI), 촉각 영상(TI)에서 촉각 센서를 사용하는 압력/스트레스 센서 등이 사용되며, 이 외에도 몇 가지 다른 방법이 존재한다.
조직 반응 관찰은 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 얻어진 영상은 1차원(선), 2차원(평면), 3차원(부피), 0차원(단일 값)이 될 수 있으며, 비디오 또는 단일 영상일 수 있다. 대부분의 경우, 결과는 조직의 서로 다른 강성 값을 보여주는 기존 이미지와 함께 작업자에게 표시된다.
3. 3. 처리 및 표현
탄성 영상 기법은 촉진에 의해 발생한 왜곡과 그 반응을 관찰하고 처리하여 조직의 기계적 특성을 추론한 결과를 연산자에게, 보통 이미지 형태로 표시한다.[3] 각 탄성 영상 방법은 이러한 단계를 수행하는 방식에 따라 특징지어진다.
반응이 관찰되면 강성을 계산할 수 있으며, 대부분의 탄성 영상 기술은 다음 두 가지 주요 원리 중 하나를 기반으로 조직의 강성을 찾는다.
일부 기술은 단순히 왜곡 및/또는 반응 또는 파동 속도를 조작자에게 표시하는 반면, 다른 기술은 강성(특히 영률 또는 유사한 전단 탄성 계수)을 계산하여 대신 표시한다. 일부 기술은 정량적으로 결과를 제시하는 반면, 다른 기술은 정성적(상대적) 결과만 제시한다.[3]
4. 초음파 탄성 영상
초음파의 전파 계수 차이를 이용하여 생체 조직의 탄성률, 즉 강성을 가시화한다. 간경변과 같이 병변 부위는 건강한 부분과 초음파 전파 계수가 다르기 때문에, 비침습적으로 병변 부위를 검사할 수 있다.[39] 기존의 다른 방법으로는 검출이 어려웠던 부분의 가시화에 적합하며, X선 촬영과 달리 방사선을 사용하지 않아 피폭 걱정이 없다.
최초의 탄성 영상은 초음파 영상을 통해 구현되었으며, 이후 다양한 탄성 영상 기법이 개발되었다. 주요 초음파 탄성 영상 기술은 다음과 같다:
- '''준정적 탄성 영상''': 조직에 외부 압력을 가하여 압박 전후 초음파 영상을 비교, 변형 정도를 통해 탄성을 평가한다.
- '''음향 방사력 임펄스 영상 (ARFI)''': 음파를 이용해 조직 내부에 압력을 가하여 변형을 유도하고, 그 정도를 측정하여 탄성을 평가한다.
- '''전단파 탄성 영상 (SWEI)''': 음향 방사력으로 발생시킨 전단파의 전파 속도를 측정하여 조직의 탄성을 평가한다.
- '''초음속 전단 영상 (SSI)''': SWEI의 한 종류로, 초음속으로 전단파를 발생시켜 실시간으로 조직 강성의 2차원 지도를 생성한다.
- '''순간 탄성 영상''': 순간적인 기계적 변형력을 가해 발생한 전단파를 이용하여 조직의 탄성을 평가한다.
조직 변형 영상은 고해상도 선형 프로브를 이용해 탄성 영상을 얻는 기법으로, 유방암 진단에서 효용성이 크다는 연구가 있다.[42]
식품 산업에서 저강도 초음파는 1980년대부터 야채, 육류, 유제품과 같은 식품의 성분 농도, 구조 및 물리적 상태에 대한 정보를 제공하고 품질 관리에 사용되어 왔으며,[13] 예를 들어 치즈의 유변학적 특성을 평가하는 데 사용되었다.[14]
4. 1. 준정적 탄성 영상 (Quasistatic elastography)
준정적 탄성 영상(과거의 이유로 단순히 '탄성 영상'이라고 불리기도 함)은 가장 초기의 탄성 영상 기술 중 하나이다. 이 기술에서는 조직에 외부 압력을 가하고, 압박 전후의 초음파 영상을 비교한다. 가장 적게 변형된 이미지 영역이 가장 단단하고, 가장 많이 변형된 영역이 가장 덜 단단하다.[2] 일반적으로, 작업자에게 표시되는 것은 상대적인 왜곡(변형률)의 이미지이며, 이는 종종 임상적으로 유용하다.[3]
그러나 상대적 왜곡 이미지에서 ''정량적인'' 강성 지도를 만드는 것이 종종 필요하다. 이를 위해서는 영상화되는 연조직의 특성과 이미지 외부의 조직에 대한 가정이 필요하다. 또한 압박 하에서, 물체가 이미지 안으로 또는 밖으로 이동하거나 이미지 내에서 움직여 해석에 문제를 일으킬 수 있다. 이 기술의 또 다른 한계는 수동 촉진과 마찬가지로 표면에 가깝지 않거나 쉽게 압축되지 않는 장기 또는 조직에 어려움을 겪는다는 것이다.[4]
4. 2. 음향 방사력 임펄스 영상 (Acoustic radiation force impulse imaging, ARFI)
음향 방사력 충격 영상은 탄성 영상의 한 종류로, 모터를 이용한 진동기 대신 음파의 진행 방향으로 압력을 가하는 방식을 사용하여 탄성 영상을 얻는 기술이다.[43][44][45] 기존 초음파 신호 외에 조직 변형을 위한 초음파 신호(밀기 빔)를 발사하여 변형을 일으키고, 그 변형 정도를 측정한다.
음향 방사력 임펄스 영상(ARFI)[5]은 초음파를 사용하여 조직 강성의 정성적 2차원 지도를 생성한다. 초음파 빔을 집중시켜 음향 방사력으로부터 조직 내부에 '푸시'를 생성하는 방식으로 작동한다. 빔 축을 따라 조직이 눌리는 정도는 조직 강성을 나타내는데, 더 부드러운 조직은 더 단단한 조직보다 쉽게 눌린다. ARFI는 푸시 빔의 축을 따라 정성적 강성 값을 보여주며, 여러 다른 위치에서 푸시를 가하여 조직 강성 지도를 구축한다. 가상 터치 영상 정량화(VTIQ)는 악성 자궁 경부 림프절을 식별하는 데 사용되기도 한다.[6]
4. 3. 전단파 탄성 영상 (Shear-wave elasticity imaging, SWEI)
전단파 탄성 영상(SWEI)은 음향 방사력을 이용하여 조직 깊숙한 곳에 '밀기'를 유도한다. 이 밀기로 인해 발생하는 교란은 전단파 형태로 조직을 통해 측면으로 이동한다. 초음파나 MRI 같은 영상 방식을 사용하여 파동이 다양한 위치에 도달하는 속도를 관찰함으로써, 조직의 강성을 추론할 수 있다. "탄성 영상"과 "탄성계측법"은 같은 의미이므로, 전단파를 이용해 탄성 맵을 나타내는 SWEI라는 용어는 종종 SWE로 대체된다.SWEI와 ARFI의 주요 차이점은 SWEI는 빔 축에서 측면으로 전파되는 전단파를 이용하여 탄성 맵을 생성하는 반면, ARFI는 밀기 빔의 축에서 탄성 정보를 얻고 여러 번의 밀기를 통해 2차원 강성 맵을 생성한다는 것이다.[7] ARFI에는 전단파가 관여하지 않으며, SWEI에는 축 방향 탄성 평가가 없다. SWEI는 초음속 전단 영상(SSI)에서 구현된다.
수퍼소닉 전단 영상은 유방, 갑상선, 간, 전립선 및 근골격계 영상에서 유용하다는 보고가 있다.[46][47][48]
4. 3. 1. 초음속 전단 영상 (Supersonic shear imaging, SSI)
초음속 전단파 영상(SSI)은 조직 강성의 정량적이고 실시간적인 2차원 지도를 제공한다.[8][9] SSI는 SWEI를 기반으로 하며, 음향 방사력을 사용하여 관심 조직 내부에 '밀기'를 유도하여 전단파를 생성하고, 결과적인 전단파가 조직을 얼마나 빠르게 통과하는지로부터 조직의 강성을 계산한다. 국소 조직 속도 지도는 기존의 스펙클 추적 기술로 얻으며, 조직을 통과하는 전단파 전파의 전체 동영상을 제공한다. SSI에는 두 가지 주요 혁신이 있다. 첫째, SSI는 여러 번의 거의 동시적인 밀기를 사용하여 초음속으로 매체를 통과하는 전단파의 원천을 생성한다. 둘째, 생성된 전단파는 초고속 영상 기술을 사용하여 시각화된다. 역 알고리즘을 사용하여 매체의 전단 탄성은 파동 전파 동영상으로부터 정량적으로 매핑된다. SSI는 1초에 10,000 프레임 이상으로 깊숙한 장기를 촬영할 수 있는 최초의 초음파 영상 기술이다. SSI는 조직의 기계적 특성을 설명하는 일련의 정량적 및 생체 내 매개변수, 즉 영률, 점도, 이방성을 제공한다.
이 접근 방식은 유방, 갑상선, 간, 전립선 및 근골격계 영상에서 임상적 이점을 입증했다. SSI는 여러 개의 고해상도 선형 변환기를 사용하여 유방 검사에 사용된다.[10] 대규모 다기관 유방 영상 연구에서 전단파 탄성 영상이 표준 B-모드 및 컬러 모드 초음파 영상의 해석에 추가될 때 유방 병변의 분류[12]에서 재현성[11]과 상당한 개선이 모두 입증되었다.
4. 4. 순간 탄성 영상 (Transient elastography)
순간 탄성 영상(Transient elastography)은 조직에 순간적으로 기계적인 변형력을 가해 조직이 변형된 정도를 통해 조직의 탄성도를 영상화하는 기술이다. 프로브에 모터로 움직이는 진동자를 부착해 조직에 전단 파동을 일으키고, 여기서 일어난 변화를 도플러 영상에 주로 이용하는 펄스파 초음파 영상 기법으로 관측한다[40]. 대표적인 예로 간경변을 진단하기 위해 이용하는 경우가 있다[41].
1990년대 후반에 처음 도입되었을 때 시간 분해 펄스 탄성 영상법이라고 불렸다.[15] 이 기술은 조직에 전단파를 유도하는 데 사용되는 과도한 기계적 진동에 의존한다. 전단파의 전파는 초음파를 사용하여 추적하여 영률을 추론하는 전단파 속도를 평가하며, 이는 균질성, 등방성 및 순수 탄성(E=3ρV²)의 가설 하에 수행된다. 순간 탄성 영상이 조화 탄성 영상 기술에 비해 갖는 중요한 장점은 전단파와 압축파의 분리이다.[16] 이 기술은 1차원으로 구현될 수 있으며,[17] 초고속 초음파 스캐너의 개발이 필요한 2차원으로 구현될 수도 있다.[18]
순간 탄성 영상은 "조직" 경직도의 정량적인 1차원 (즉, 선) 이미지를 제공한다. 이는 모터로 피부를 진동시켜 조직 내에 통과하는 왜곡 (전단파)을 생성하고, 1차원 초음파 빔을 사용하여 신체 깊숙이 통과하면서 해당 왜곡의 움직임을 영상화함으로써 작동한다. 그런 다음 정량적인 조직 경직도 데이터 라인(영률)을 표시한다.[19][20] 이 기술은 주로 간 평가에 사용되는 Fibroscan 시스템에서 사용되며,[21] 간경변증을 진단하는 데 사용된다.[22] VCTE라고 불리는 1차원 순간 탄성 영상의 특정 구현은 간 생검으로 평가된 간 섬유화와 상관관계가 있는 평균 간 경직도를 평가하기 위해 개발되었다.[23][24] 이 기술은 간 지방증의 좋은 대리 지표인 CAP(controlled attenuation parameter, 제어 감쇠 매개변수)를 평가할 수도 있는 장치에 구현되어 있다.[25]
5. 자기 공명 탄성 영상 (Magnetic resonance elastography, MRE)
자기 공명 탄성 영상(MRE)[26]은 1990년대 중반에 도입되었으며, 여러 임상 응용 분야가 연구되었다. MRE에서는 기계적 진동기가 환자의 신체 표면에 사용되어 환자의 더 깊은 조직으로 이동하는 전단파를 생성한다. 파동의 속도를 측정하는 영상 획득 시퀀스가 사용되며, 이는 조직의 강성(전단 탄성 계수)을 추론하는 데 사용된다.[27][28] MRE 스캔의 결과는 조직 강성의 정량적 3차원 지도와 기존 3차원 MRI 영상이다.
MRE의 강점 중 하나는 전체 장기를 덮을 수 있는 3차원 탄성 지도이다.[1] MRI는 공기나 뼈에 의해 제한되지 않으므로, 초음파로는 접근할 수 없는 뇌를 포함한 일부 조직에 접근할 수 있다. 또한 대부분의 초음파 탄성 영상 방법보다 작업자 간의 균일성이 높고 작업자 숙련도에 덜 의존하는 장점이 있다.
MR 탄성 영상은 지난 몇 년 동안 획득 시간이 1분 이하로 단축되는 등 상당한 발전을 이루었으며, 살아있는 인간의 심장에 대한 심장학 연구를 포함한 다양한 의료 분야에 사용되었다. MR 탄성 영상의 짧은 획득 시간은 다른 탄성 영상 기술과 경쟁할 수 있게 해준다.
6. 광학 탄성 영상 (Optical elastography)
광학 탄성 영상은 조직 영상을 얻기 위해 광학 현미경을 활용하는 새로운 기술이다. 광학 탄성 영상의 가장 일반적인 형태인 광학 간섭 탄성 영상(OCE)은 광학 간섭 단층 촬영법(OCT)을 기반으로 하며, 간섭계를 측면 빔 스캔과 결합하여 빠른 3D 영상 획득을 가능하게 하고 5-15 μm의 공간 해상도를 달성한다.[29] OCE의 경우, 기계적 하중이 조직에 가해지고 결과적인 변형은 스페클 추적 또는 위상 민감 감지를 사용하여 측정된다.[30] OCE의 초기 구현에는 조직에 준정적 압축을 가하는 것이 포함되었지만,[31] 최근에는 접촉 변환기 또는 음파를 통해 정현파 변조를 적용하여 동적 하중을 달성했다.[29]
세포와 전체 조직 사이의 미세 규모를 탐구하기 위해 광학 탄성 영상에 더 높은 광학 해상도를 가진 다른 영상 모달리티도 도입되었다.[29] OCT는 850 - 1050 nm의 더 긴 파장에 의존하므로 400-700 nm의 가시 파장을 사용하고 <1 μm의 측면 공간 해상도를 제공하는 일반적인 광학 현미경에 비해 낮은 광학 해상도를 제공한다. 더 높은 해상도 분석의 예로는 다세포 스페로이드의 기계적 특성 분석[32] 및 단일 세포 해상도에서 3D 오르가노이드의 구조 분석에 각각 공초점 현미경 및 광 시트 현미경을 사용하는 것이 있다.[33] 이러한 영상 모달리티를 사용할 때, 마이크로 트위저와 같은 마이크로 인덴테이션 장치로 조직 샘플에 준정적 압축을 유도할 수 있다.[32] 결과적인 변형은 이미지 기반 노드 추적 알고리즘을 사용하여 현미경 이미지에서 측정할 수 있으며,[32][33] 유한 요소법(FEM) 분석을 사용하여 기계적 특성을 식별할 수 있다.
7. 응용 분야
탄성 영상은 다양한 장기의 질병 상태를 조사하는 데 사용되며, 단순한 해부학적 영상에 비해 추가적인 진단 정보를 제공한다. 생검을 안내하거나 대체하는 데 사용될 수 있는데, 생검은 침습적이고 고통스러우며 출혈이나 감염의 위험이 있는 반면, 탄성 영상은 완전히 비침습적이다.
탄성 영상은 간 질환 조사에 사용된다. 간 경직은 섬유증이나 지방간을 나타내며, 이는 간경변 및 간염 등 여러 질병 상태를 유발할 수 있다. 탄성 영상은 섬유증이 미만성일 때(연속적인 흉터가 아닌 덩어리로 퍼져 있음) 특히 유리한데, 생검은 질병 조직을 놓쳐 위음성 오진을 초래할 수 있기 때문이다.
탄성 영상은 이미 수기 촉진이 널리 사용된 장기 및 질병에도 사용된다. 예를 들어 유방, 갑상선, 전립선 암의 감지 및 진단에 사용되며, 특정 유형의 탄성 영상은 근골격계 영상에 적합하여 근육 및 힘줄의 기계적 특성과 상태를 결정할 수 있다.
수기 촉진의 한계를 극복하기 위해 탄성 영상은 수기 촉진으로 진단하기 어려웠던 영역에서도 연구되고 있다. 자기 공명 탄성 영상은 뇌의 강성을 평가할 수 있으며,[34] 건강한 뇌와 질병이 있는 뇌에서의 탄성 영상에 대한 연구가 증가하고 있다.
2015년에는 신장 이식에서 피질 섬유증을 평가하기 위해 탄성 영상이 사용되었고, 유망한 결과를 보여주었다.[35]
브리스톨 대학교의 연구에 따르면, 1991년과 1992년에 태어난 사람들 중 2.5%가 18세에 비알코올성 지방간 질환을 앓고 있었고, 5년 후 일시적 탄성 영상 검사 결과 20% 이상에서 지방 축적이 발견되었으며, 그중 절반은 심각한 것으로 분류되었다. 또한 2.4%는 간경변으로 이어질 수 있는 섬유증의 간 흉터를 가지고 있었다.[36]
광학 간섭 단층 촬영을 이용한 탄성 영상(즉, 빛)과 같은 다른 기술도 있다.[37]
촉각 영상은 디지털 "터치"의 결과를 이미지로 변환하는 것을 포함한다. 다양한 구성에서 저항성, 유도성, 용량성, 광전기, 자기, 압전 및 전기 음향 원리 등 촉각 센서의 실현을 위해 많은 물리적 원리가 탐구되었다.[38]
생체 조직은 간경변과 같은 병변 부위가 건강한 부분과 초음파 전파 계수가 다르기 때문에 이를 이용하여 병변 부위를 가시화할 수 있다.[39] 이는 기존 방법으로 검출하기 어려웠던 병변 부위 가시화에 적합하며, X선 촬영과 달리 방사선을 사용하지 않아 피폭 걱정이 없다.
연부 조직 진단에 적합하며, 산업 제품의 비파괴 검사에도 활용될 수 있다.
8. 기타
산업 제품의 비파괴 검사에도 활용할 수 있다.
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