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Evaluation and Prediction of Post-Hepatectomy Liver Failure Using Imaging Techniques: Value of Gadoxetic Acid-Enhanced Magnetic Resonance Imaging

  • Keitaro Sofue;Ryuji Shimada;Eisuke Ueshima;Shohei Komatsu;Takeru Yamaguchi;Shinji Yabe;Yoshiko Ueno;Masatoshi Hori;Takamichi Murakami
    • Korean Journal of Radiology
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    • 제25권1호
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    • pp.24-32
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    • 2024
  • Despite improvements in operative techniques and perioperative care, post-hepatectomy liver failure (PHLF) remains the most serious cause of morbidity and mortality after surgery, and several risk factors have been identified to predict PHLF. Although volumetric assessment using imaging contributes to surgical simulation by estimating the function of future liver remnants in predicting PHLF, liver function is assumed to be homogeneous throughout the liver. The combination of volumetric and functional analyses may be more useful for an accurate evaluation of liver function and prediction of PHLF than only volumetric analysis. Gadoxetic acid is a hepatocyte-specific magnetic resonance (MR) contrast agent that is taken up by hepatocytes via the OATP1 transporter after intravenous administration. Gadoxetic acid-enhanced MR imaging (MRI) offers information regarding both global and regional functions, leading to a more precise evaluation even in cases with heterogeneous liver function. Various indices, including signal intensity-based methods and MR relaxometry, have been proposed for the estimation of liver function and prediction of PHLF using gadoxetic acid-enhanced MRI. Recent developments in MR techniques, including high-resolution hepatobiliary phase images using deep learning image reconstruction and whole-liver T1 map acquisition, have enabled a more detailed and accurate estimation of liver function in gadoxetic acid-enhanced MRI.

The Development of an Electroconductive SiC-ZrB2 Composite through Spark Plasma Sintering under Argon Atmosphere

  • Lee, Jung-Hoon;Ju, Jin-Young;Kim, Cheol-Ho;Park, Jin-Hyoung;Lee, Hee-Seung;Shin, Yong-Deok
    • Journal of Electrical Engineering and Technology
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    • 제5권2호
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    • pp.342-351
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    • 2010
  • The SiC-$ZrB_2$ composites were fabricated by combining 30, 35, 40, 45 and 50 vol. % of zirconium diboride ($ZrB_2$) powders with silicon carbide (SiC) matrix. The SiC-$ZrB_2$ composites and the sintered compacts were produced through spark plasma sintering (SPS) under argon atmosphere, and its physical, electrical, and mechanical properties were examined. Also, the thermal image analysis of the SiC-$ZrB_2$ composites was examined. Reactions between $\beta$-SiC and $ZrB_2$ were not observed via x-ray diffraction (XRD) analysis. The apparent porosity of the SiC+30vol.%$ZrB_2$, SiC+35vol.%$ZrB_2$, SiC+40vol.%$ZrB_2$, SiC+45vol.%$ZrB_2$ and SiC+50vol.%$ZrB_2$ composites were 7.2546, 0.8920, 0.6038, 1.0981, and 10.0108%, respectively. The XRD phase analysis of the sintered compacts demonstrated a high phase of SiC and $ZrB_2$. Among the $SiC+ZrB_2$ composites, the SiC+50vol.%$ZrB_2$ composite had the lowest flexural strength, 290.54MPa, the other composites had more than 980MPa flexural strength except the SiC+30vol.%$ZrB_2$ composite; the SiC+40vol.%$ZrB_2$ composite had the highest flexural strength, 1011.34MPa, at room temperature. The electrical properties of the SiC-$ZrB_2$ composites had positive temperature coefficient resistance (PTCR). The V-I characteristics of the SiC-$ZrB_2$ composites had a linear shape in the temperature range from room to $500^{\circ}C$. The electrical resistivities of the SiC+30vol.%$ZrB_2$, SiC+35vol.%$ZrB_2$, SiC+40vol.%$ZrB_2$ SiC+45vol.%$ZrB_2$ and SiC+50vol.%$ZrB_2$ composites were $4.573\times10^{-3}$, $1.554\times10^{-3}$, $9.365\times10^{-4}$, $6.999\times10^{-4}$, and $6.069\times10^{-4}\Omega{\cdot}cm$, respectively, at room temperature, and their resistance temperature coefficients were $1.896\times10^{-3}$, $3.064\times10^{-3}$, $3.169\times10^{-3}$, $3.097\times10^{-3}$, and $3.418\times10^{-3}/^{\circ}C$ in the temperature range from room to $500^{\circ}C$, respectively. Therefore, it is considered that among the sintered compacts the SiC+35vol.%$ZrB_2$, SiC+40vol.%$ZrB_2$ and SiC+45vol.%$ZrB_2$ composites containing the most outstanding mechanical properties as well as PTCR and V-I characteristics can be used as an energy friendly ceramic heater or ohmic-contact electrode material through SPS.

『논어(論語)』 「학이(學而)」 1장의 해석학적(解釋學的) 연구(硏究) (A interpretive Study of the Analects of Confucius's Chapter I-1)

  • 서근식
    • 동양고전연구
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    • 제32호
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    • pp.189-213
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    • 2008
  • "논어(論語)"의 핵심사상이라고 하면 보통 '인(仁)'을 떠올린다. 그러나, "논어(論語)"의 첫 구절인 "학이(學而)" 1장에는 '인(仁)'에 대한 언급이 없다. 그렇다면, "논어(論語)"의 편집자는 왜 "학이(學而)" 1장을 "논어(論語)"의 첫머리에 놓은 것일까? 본 논문은 "논어(論語)" "학이(學而)" 1장에 공자(孔子)의 핵심사상이 함축되어 있음을 서술하였다. "학이(學而)" 1장은 '기쁨(說)' 즐거움(樂)' '군자(君子)'라는 단어가 중심이 된다. '설(說)'은 자신을 수양(修養)하는 단계 혹은 '올바른 관계맺음'을 위한 자격을 갖추는 단계이고, '락(樂)'은 자신과 뜻을 같이하는 동지(同志)들과 관계를 맺는 단계이다. '군자(君子)'는 천하(天下)의 모든 사람과 '올바른 관계맺음'하는 단계로 공자(孔子)가 제시한 이상적(李想的) 인간상(人間像)을 뜻한다. "학이(學而)" 1장의 핵심인 '설(說)' '락(樂)' '군자(君子)'는 "논어(論語)"의 핵심사상인 '인(仁)' '서(恕)' '수기치인(修己治人)'과 연결된다. '인(仁)' '서(恕)'가 '올바른 관계맺음'을 의미한다면, '설(說)'은 '올바른 관계맺음'을 위한 자격을 갖추는 단계이고 '락(樂)'은 동지(同志)와의 '관계맺음'을 하는 단계이고 '군자(君子)'는 천하(天下) 모든 사람과 '올바른 관계맺음'을 할 수 있는 사람을 의미한다. '수기치인(修己治人)'에 대해 공자(孔子)는 수기이경(修己以敬)(경(敬)으로 자신을 수양(修養)함)${\rightarrow}$수기이안인(修己以安人)(자신을 수양(修養)하여 다른 사람을 편안하게 만들어줌)${\rightarrow}$수기이안백성(修己以安百姓)(자신을 수양(修養)하여 천하(天下) 모든 백성을 편안하게 만들어줌)의 3단계를 제시하는데, 이는 "학이(學而)" 1장의 '설(說)'${\rightarrow}$'락(樂)'${\rightarrow}$'군자(君子)'와 연결된다. 공자(孔子)가 "학이(學而)" 1장을 통해 제시한 '군자(君子)'라는 인간상(人間像)은 '수양(修養)'으로 깨우친 도덕성을 '관계맺음'을 통해 '실천(實踐)'으로 옮기는 인간이다.

해류도 그리기를 통한 중등학교 지구과학 교사들의 동해 해류에 대한 지식의 변화 분석 (An Analysis of the Change of Secondary Earth Science Teachers' Knowledge about the East Sea's Currents through Drawing Schematic Current Maps)

  • 박경애;박지은;이기영;최병주;이상호;김영택;이은일
    • 한국지구과학회지
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    • 제36권3호
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    • pp.258-279
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    • 2015
  • 이 연구의 목적은 해류 모식도 그리기를 통해 드러난 중등 지구과학 교사들의 동해 해류에 대한 지식의 변화를 분석하는 것이다. 이를 위해 32명의 중등 지구과학 교사들이 총 6시간의 해류도 관련 학습과 실습 과정을 거쳤으며, 사전과 사후 그리고 지연된 사후 동해 해류 모식도 그리기를 수행하였다. 또한, 작성된 해류 모식도를 수치화 과정을 거쳐 변환하여 이 해류 모식도에서 드러난 참여 교사들의 동해 해류에 대한 지식의 변화를 분석하였다. 동해 해류에 대한 참여 교사들의 사전 지식을 분석한 결과, 해류도에 대한 기초적인 지식은 가지고 있는 것으로 나타났으나, 몇몇 개념에 대해서는 잘못된 지식을 가진 것으로 분석되었다. 3차에 걸쳐 작성된 참여 교사들의 동해 해류 모식도를 분석한 결과, 연수 후 동해 해류 양상에 대한 지식이 증가하는 것으로 나타났으며, 교사에 따른 차이는 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 연수 직후보다는 지연된 사후 단계에서 더욱 뚜렷하게 나타났다. 해류도 실습활동에 대한 사후 설문을 분석한 결과, 참여 교사들은 해류도와 해류 교육의 필요성, 과학적 지식에 근거한 교과서 해류도의 개선을 강하게 인식하고 있었다. 또한, 실습활동에 대해 매우 높은 만족도를 나타내었으며, 내용 지식의 중요성 인식 및 교수 전략과의 연계, 중등 교육과정 개선의 필요, 과학 지식의 본성에 대한 인식 등 다양한 측면에서 실습활동의 의미를 부여하였다. 이러한 결과는 교사의 교과내용학 지식이 효과적인 과학 교수에 중대한 역할을 함을 시사한다.

가토 간내에 Holmium-166 주입 후의 간 실질 변화 (Hepatic Parenchrmal Changes After Percutaneous Injection of Holmium-166 in Rabbit)

  • 최병인;김명진;박영년;김주희;최병욱
    • Investigative Magnetic Resonance Imaging
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    • 제5권1호
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    • pp.43-48
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    • 2001
  • 목적: 방사성 등위원소인 Holmium-166을 가토 간 실질 내에 경피적 주입한 후 나타나는 변화에 대한 조직학적 소견과 MR영상 소견을 알아보고자 하였다. 대상 및 방법: 12예의 가토의 간 실질 내에 Holmium-166 방사성 등위원소 10∼25 mCi를 초음파 유도하에 경피적 주입 후, MR 영상을 시행하기 전에 사망하지 않은 8예의 가토 중 4예는 급성기 (1-2주)에, 나머지 4예는 아급성기 (3-4주)에 MR 영상을 시행한 후 희생시켜, 조직표본을 얻었으며 , MR 영상을 시행하기 전에 사망한 4예 중 1예는 급성기에, 3예는 아급성기에 조직표본만을 검사하였다. 결과 괴사부위는 중심부의 액화괴사와 주변부의 응괴 괴사(coagulative necrosis). 과립성 입자의 침착, 출혈 등의 변화를 보였으며, 테두리에는 육아조직의 형성과 섬유화가 관찰되었는데, 섬유화는 급성기보다 아급성기에서 현저하였다. Holmium-166 주입양과 간 실질의 괴사 면적과는 비례하는 경향을 보였다. MR영상에서 괴사의 중앙부는 T1 강조영상에서는 저신호, T2 강조영상에서는 고신호를 나타냈으며, 조영후 역동적 영상에서는 조영증강이 되지 않았다 주변부는 T1 강조영상에서는 동등 신호 또는 약간 저신호, T2 강조영상에서는 저신호를 보였으며, 조명후 역동적 영상에서는 지 연기에서 약한 조영 증강이 말초부에서 관찰되었다. 테두리는 T1 강조영상에서는 저신호, T2 강조영상에서는 저신호, 조명후 역동적 영상에서는 초기에 약간 조영 증강하고, 후기에는 좀더 조영증강이 강해지는 소견을 보였다. 결론: 정상 간조직에 경피적으로 Holmium-166을 주입하였을 때, 조직학적으로 중앙부는 액화괴사, 주변부는 응고괴사, 테두리에는 육아 조직, 섬유화, 출혈과 과립성 입자의 침착이 관찰되었으며, MR 영상은 조직변화를 평가하는 데 유용할 것으로 생각한다.

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$^{99m}Tc$ 표지화합물을 사용한 심근 관류 SPECT 검사에서 심장과 타 장기와의 중첩 방지를 위한 자세 변화의 유용성 (Usefulness of Posture Change to Prevent Overlapping of Heart and Other Organs in Myocardial Perfusion SPECT using $^{99m}Tc$ Labeled Compound)

  • 이동혁;오신현;정석;조석원;남궁혁;김재삼;이창호
    • 핵의학기술
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    • 제16권1호
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    • pp.62-69
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    • 2012
  • 게이트 심근 관류 SPECT는 심근관류를 평가하고 관상동맥질환을 진단하는 비침습적인 방법으로 매우 가치가 있는 검사이다. $^{99m}Tc$를 이용한 표지화합물들은 특성상 간과 담낭에 많이 농축이 되며 장으로 배설이 된다. 본 연구에서는 소화기관을 통해 배출되는 방사성의약품의 일부가 장기 내에 남아 심장의 음영을 침범하는 경우 자세의 변화를 통해 영상의 획득 방법을 변형하여 효과적으로 분리 관찰할 수 있도록 하는데 그 목적을 두었다. 2011년 1월부터 8월 사이에 심장과 심혈관계 질환이 의심되거나 이에 따른 시술 및 수술을 받은 20명의 환자들을 대상으로 시행하였다. 대상 군에 대하여 $^{99m}Tc$-sestamibi 또는 $^{99m}Tc$-tetrofosmin 370 MBq (10 mCi)을 정맥 주사하였다. 주사 30분 후에 지방식을 하도록 하였으며, 약 1시간 후에 검사를 시행하였다. 기본적인 검사는 앙와위 자세에서 양팔을 머리 위로 거상한 자세로 하였다. 휴식기 검사가 종료되면 약 3~4시간 후에 아데노신에 의한 약물부하를 시행하였다. 부하는 6분간 실시 하였으며, 아데노신이 주입되기 시작한지 4분째에 다시 한번 방사성의약품을 주사하였다. 부하기 때의 방사성 의약품은 1,110 MBq (30 mCi)을 주사 하였으며, 지방식 및 검사 시간은 휴식기 때와 동일하게 하였다. 휴식기와 부하기 검사에서 심장과 장기의 중첩이 발생한 경우에는 곧바로 앙와위 자세에서 고정 용구를 사용하여 상체를 거상시켜 환자 자세를 변화시키고 그 이외의 다른 조건들은 동일하게 하여 영상을 다시 한번 획득하였다. 기존의 앙와위 자세에서는 횡격막 이하 장기의 일부가 심장과 중첩이 일어났으나 고정 용구를 사용한 환자 자세의 변화로 심장과 중첩되었던 타 장기들의 대부분이 신체의 아래쪽으로 내려가 심장과 충분히 분리되는 모습을 육안적으로 관찰할 수 있었다. 장기의 일부가 심장에 중첩된 경우에 비해 분리된 경우의 재구성 영상에서 각각 전체 평균의 차이는 확장기말 용적이 2.75 mL 증가, 수축기말 용적은 3.16 mL 감소, 심박출 계수는 3.58% 증가하였고, 결손 부위의 면적은 부하기에서 $3.58cm^2$ 감소, 휴식기에서 $3.92cm^2$ 감소하였다. 또한 각각의 수치들을 토대로 시행한 대응표본 $t$-검정에서는 $p$>0.05로 유의한 차이는 없었다. 본 연구에서는 심근 관류 SPECT에서 심장과 타 장기와의 중첩된 부분을 고정 용구를 사용함으로써 효과적으로 분리시켜 영상화할 수 있었다. 이와 같이 지연 검사가 필요한 경우 적절한 고정 용구를 사용하게 된다면 보다 더 효율적인 검사가 이루어질 수 있을 것이라 사료된다.

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호흡으로 인한 움직임이 큰 종양의 방사선치료 시 Abdomen and Chest Motion Control Device (ABCHES)의 유용성 평가 (Evaluation on Usefulness of Abdomen and Chest Motion Control Device (ABCHES) for the Tumor with a Large Respiratory Motion in Radiotherapy)

  • 조윤진;전미진;신동봉;김종대;김세준;하진숙;임정호;이익재
    • 대한방사선치료학회지
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    • 제24권2호
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    • pp.85-93
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    • 2012
  • 목 적: 호흡에 의한 장기의 움직임이 큰 흉부와 상복부에 위치한 종양의 토모테라피 치료 시 움직임을 최소화하기 위해 노력으로 호흡 조절 시스템을 적용하지만 여러 제약이 따라 이용이 제한적이었다. 이에 본 연구에서는 토모테라피 치료 시 효율적인 호흡 조절을 위한 ABCHES system의 적용 가능성 및 유용성을 평가해 보고자 하였다. 대상 및 방법: 본원에서 흉부와 상복부에 위치한 폐와 간, 쓸개, 췌장에 토모테라피 치료를 받은 5명의 환자를 대상으로 하였다. 모든 환자에게 ABCHES를 사용하여 자유 호흡법과 얕은 호흡법을 각각 교육한 후 치료 계획용 4D-CT를 실시하여 총 10개의 4차원 단층촬영영상을 획득 하였다. 한명의 전공의는 각 영상의 최대 흡기, 최대 호기, 호흡의 중간 위상, Average CT이미지에서 육안적으로 보이는 종양과 주변 정상장기를 그렸으며 MIM에서 선량체적 히스토그램과 종양의 움직임에 대한 정량적 분석을 실시하였다. 자유 호흡과 얕은 호흡 상태에서 장기의 움직임은 총 여섯 방향에서 평가하였고 주변 장기에 조사된 방사선량을 비교하였다. 결 과: 5명의 환자 중 호흡 조절 장치인 ABCHES를 이용하여 자유 호흡과 얕은 호흡 상태에서 장기의 움직임이 5 mm 이상 움직인 호흡은 자유 호흡이 12번인 반면 얕은 호흡에서는 2번으로 감소되었다. 선량 체적 히스토그램을 통한 비교 분석 결과 두 호흡간 치료 체적과 종양조직 주변 정상 장기 2개의 평균 선량 값과 정상조직에 방사선이 조사되는 용적에서 ABCHES를 이용한 얕은 호흡이 자유 호흡에 비해 모두 낮은 치료 결과 값을 확인 할 수 있었다. 결 론: ABCHES를 사용하여 규칙적이고 정확한 얕은 호흡을 함으로써 토모테리피 치료 시 유용성과 호흡에 따른 종양의 움직임을 최소화 할 수 있음을 확인 하였고, 주변 정상조직에 불필요하게 조사되는 방사선을 감소시킬 수 있었다.

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초해상 광기록 Ge2Sb2Te5 박막의 고온광물성 연구 (Optical Property of Super-RENS Optical Recording Ge2Sb2Te5 Thin Films at High Temperature)

  • 이학철;최중규;이재흔;변영섭;류장위;김상열;김수경
    • 한국광학회지
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    • 제18권5호
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    • pp.351-361
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    • 2007
  • 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 광기록 매체인 GST 박막과 보호층인 $ZnS-SiO_2$ 박막 또는 $Al_2O_3$ 박막을 c-Si 기판위에 증착한 뒤 in-situ 타원계를 사용하여 상변화 광기록층인 GST 시료의 타원상수 온도의존성을 실시간으로 측정한 결과 $300^{\circ}C$ 이상의 온도에서 GST의 고온 타원상수는 가열 환경 및 보호층의 종류에 따라 큰 차이를 보여주었다. 가열 환경 및 보호층의 종류에 따라 GST의 고온 타원상수가 달라지는 원인인 $1{\sim}2$시간의 긴 승온시간을 줄이기 위해 Phase-change Random Access Memory(PRAM) 기록기를 사용하였고 수십 ns 이내의 짧은 시간 내에 순간적으로 GST 시료를 가열 및 냉각하였다. GST층이 손상되지 않고 결정화 및 고온 열처리가 되는 PRAM 기록기의 기록모드와 레이저출력 최적조건을 찾았으며 다층박막 구조에서 조사되는 레이저 에너지가 광기록층인 GST에 흡수되는 양과 이웃하는 층으로 전파되는 양을 열확산방정식으로 나타내고 이를 수치해석적으로 풀어 레이저출력과 GST 박막의 최고 온도와의 관계를 구하였다. 지름이 1um 정도인 레이저스폿을 대략 $0.7{\times}1.0mm^2$의 면적내에 촘촘히 기록한 다음 고온 열처리된 GST 시료의 분광타원데이터를 500 um의 빔 크기를 가지는 마이크로스폿 분광타원계를 사용하여 구하고 그 복소굴절률을 결정하였다. In-site 타원계를 사용할 때에 가열 환경 보호층 물질의 영향을 크게 받은 GST의 고온 복소굴절률은 PRAM 기록기를 사용하였을 때에는 가열환경이나 보호층의 종류에 무관하게 안정된 값을 보여주었다 Atomic Force Microscope(AFM)과 Scanning Electron Microscopy(SEM)을 통해 관찰한 GST 다층박막시료의 고온 열처리 전후 표면미시거칠기 변화도 PRAM 기록기를 사용할 때에는 in-situ 타원계를 사용할 때보다 1/10 정도의 크기를 보여주어 PRAM 기록기와 분광타원계를 사용하여 결정한 GST의 고온광학물성의 신뢰성을 확인하여 주었다.

표적이 규칙적으로 움직일 때 생기는 4DCT 영상의 모션 아티팩트(Motion Artifact) 관련된 원인분석 (Analysis of Acquisition Parameters That Caused Artifacts in Four-dimensional (4D) CT Images of Targets Undergoing Regular Motion)

  • 신희순;한영이;신은혁
    • 한국의학물리학회지:의학물리
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    • 제24권4호
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    • pp.243-252
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    • 2013
  • 본 연구는 표적이 규칙적으로 움직일 때 생기는 4DCT 영상의 모션 아티팩트(motion artifact) 관련된 원인들인 partial volume effect (PVE), partial projection effect (PPE), 각각의 프레임의 시작점 사이에 불일치(MMimph)의 원인들은 조사 및 분석을 목적으로 했다. 본 기관에서 제작된 흉부팬텀과 아크릴의 두개의 원기둥팬텀(반지름: 2 cm, 길이: 0.5 cm/ 반지름: 2 cm, 길이: 10 cm)이 규칙적인 움직이는 동안 CT을 이용하여 4D 영상을 획득했다. 촬영은 자동시작과 각각의 프레임의 시작점을 일치시키기 위해 매뉴얼로 두 가지 방법으로 시작하였다. 첫번째 실험에서는 CT 캔트리 rotation time은 5초와 8초가 이용되었다. 각 프레임은 다른 위상으로 시작되었다. 두번째 실험에서는 각 프레임에서 같은 위상으로 시작되게 하기 위해 매뉴얼로 시작했다. 세번째 실험에서는 원기둥팬텀을 2초와 6초를 주기로 움직였다. 각각의 4DCT의 영상에서 표적의 부피를 구했다. 영상으로부터 구한 표적의 부피와 표적의 실제 부피와 비교를 통해 관계를 분석했다. 흉부팬텀 실험에서는 CT의 갠트리 속도가 팬텀의 움직임보다 빠를수록 PVE와 PPE의 영향이 적어짐에 따라 영상에서 얻은 표적부피는 실제에 근접했다. 각각의 프레임의 시작점이 일치할수록 움직임의 속도와 표적의 부피와 상관관계가 높았다. 원기둥팬텀에서는 흉부팬텀의 경우와 같이 갠트리 속도가 팬텀의 움직임보다 빠를수록 영상으로부터 구한 표적부피는 실제 표적부피에 근접했다. 특히 한 slice의 두께가 2.5 mm을 고려 할 때 axial방향의 PVE, PPE, 각각의 프레임의 시작점이 일치가 되는 상태를 시뮬레이션한 길이 10 cm의 원기둥팬텀 실험에서는 영상에서 얻은 표적부피는 표적이 정지되었을 때 영상에서 얻은 부피와 거의 일치했다. 팬텀이 느리게 움직일수록, CT 갠트리의 rotation 시간이 짧을수록 영상에서 얻은 표적부피는 실제 부피에 근접했다. CT 촬영 시 각각의 프레임의 시작점이 같을수록 표적의 속도와 영상에서 의한 표적의 부피는 상관관계가 높게 나타났다. CT 갠트리의 rotation 속도를 팬텀의 움직임보다 빠르게 하고, CT 촬영시 각의 프레임의 시작점을 일치시킬수록 실제의 팬텀부피에 근접하리라고 예상된다.

A hybrid algorithm for the synthesis of computer-generated holograms

  • Nguyen The Anh;An Jun Won;Choe Jae Gwang;Kim Nam
    • 한국광학회:학술대회논문집
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    • 한국광학회 2003년도 하계학술발표회
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    • pp.60-61
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    • 2003
  • A new approach to reduce the computation time of genetic algorithm (GA) for making binary phase holograms is described. Synthesized holograms having diffraction efficiency of 75.8% and uniformity of 5.8% are proven in computer simulation and experimentally demonstrated. Recently, computer-generated holograms (CGHs) having high diffraction efficiency and flexibility of design have been widely developed in many applications such as optical information processing, optical computing, optical interconnection, etc. Among proposed optimization methods, GA has become popular due to its capability of reaching nearly global. However, there exits a drawback to consider when we use the genetic algorithm. It is the large amount of computation time to construct desired holograms. One of the major reasons that the GA' s operation may be time intensive results from the expense of computing the cost function that must Fourier transform the parameters encoded on the hologram into the fitness value. In trying to remedy this drawback, Artificial Neural Network (ANN) has been put forward, allowing CGHs to be created easily and quickly (1), but the quality of reconstructed images is not high enough to use in applications of high preciseness. For that, we are in attempt to find a new approach of combiningthe good properties and performance of both the GA and ANN to make CGHs of high diffraction efficiency in a short time. The optimization of CGH using the genetic algorithm is merely a process of iteration, including selection, crossover, and mutation operators [2]. It is worth noting that the evaluation of the cost function with the aim of selecting better holograms plays an important role in the implementation of the GA. However, this evaluation process wastes much time for Fourier transforming the encoded parameters on the hologram into the value to be solved. Depending on the speed of computer, this process can even last up to ten minutes. It will be more effective if instead of merely generating random holograms in the initial process, a set of approximately desired holograms is employed. By doing so, the initial population will contain less trial holograms equivalent to the reduction of the computation time of GA's. Accordingly, a hybrid algorithm that utilizes a trained neural network to initiate the GA's procedure is proposed. Consequently, the initial population contains less random holograms and is compensated by approximately desired holograms. Figure 1 is the flowchart of the hybrid algorithm in comparison with the classical GA. The procedure of synthesizing a hologram on computer is divided into two steps. First the simulation of holograms based on ANN method [1] to acquire approximately desired holograms is carried. With a teaching data set of 9 characters obtained from the classical GA, the number of layer is 3, the number of hidden node is 100, learning rate is 0.3, and momentum is 0.5, the artificial neural network trained enables us to attain the approximately desired holograms, which are fairly good agreement with what we suggested in the theory. The second step, effect of several parameters on the operation of the hybrid algorithm is investigated. In principle, the operation of the hybrid algorithm and GA are the same except the modification of the initial step. Hence, the verified results in Ref [2] of the parameters such as the probability of crossover and mutation, the tournament size, and the crossover block size are remained unchanged, beside of the reduced population size. The reconstructed image of 76.4% diffraction efficiency and 5.4% uniformity is achieved when the population size is 30, the iteration number is 2000, the probability of crossover is 0.75, and the probability of mutation is 0.001. A comparison between the hybrid algorithm and GA in term of diffraction efficiency and computation time is also evaluated as shown in Fig. 2. With a 66.7% reduction in computation time and a 2% increase in diffraction efficiency compared to the GA method, the hybrid algorithm demonstrates its efficient performance. In the optical experiment, the phase holograms were displayed on a programmable phase modulator (model XGA). Figures 3 are pictures of diffracted patterns of the letter "0" from the holograms generated using the hybrid algorithm. Diffraction efficiency of 75.8% and uniformity of 5.8% are measured. We see that the simulation and experiment results are fairly good agreement with each other. In this paper, Genetic Algorithm and Neural Network have been successfully combined in designing CGHs. This method gives a significant reduction in computation time compared to the GA method while still allowing holograms of high diffraction efficiency and uniformity to be achieved. This work was supported by No.mOl-2001-000-00324-0 (2002)) from the Korea Science & Engineering Foundation.

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