KR20230062853A - 혼합 어레이를 사용하는 합성 개구 이미징 시스템 및 방법 - Google Patents

혼합 어레이를 사용하는 합성 개구 이미징 시스템 및 방법 Download PDF

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단후아 자오
리렌 주
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딥사이트 테크놀로지 인코퍼레이티드
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Abstract

음향-광학 이미징의 방법은 센서 어레이의 제1 서브-개구로부터 제1 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 서브-개구는 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소를 포함할 수 있다. 방법은 센서 어레이의 제2 서브-개구로부터 제2 신호를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제2 서브-개구는 제1 유형과 상이한 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 어레이 요소의 제1 유형은 음향 트랜스듀서(예컨대, 압전 트랜스듀서)이거나, 및/또는 어레이 요소의 제2 유형은 광학 센서(예컨대, 위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 공진기와 같은 광학 공진기)일 수 있다. 방법은 센서 어레이에 대한 합성된 개구를 형성하기 위해 제1 신호 및 제2 신호를 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다.

Description

혼합 어레이를 사용하는 합성 개구 이미징 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 9월 8일에 출원된 미국 특허 출원 제63/075,727호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 본원에 참조로 통합된다.
본 개시는 일반적으로 초음파 이미징의 분야에 관한 것이고, 특히 광학 공진기 및 다른 센서의 어레이를 포함하는 혼합 어레이로부터의 신호를 결합함으로써 합성 개구(synthetic aperture)를 형성하는 것을 가능하게 하는 방법 및 디바이스에 관한 것이다. 본원에 개시된 방법 및 디바이스는 개선된 이미징 성능을 위해 높은 감도 및 높은 동작 대역폭을 갖는 광학 공진기를 포함한다.
초음파 감지는 다수의 장점으로 인해 의료 이미징(medical imaging) 및 의료 진단을 포함하는 다양한 산업에서 사용된다. 예컨대, 초음파 감지는 주목할 만한 침투 깊이를 갖는 초음파 신호를 활용한다. 더욱이, 초음파 이미징은 비-이온화 방사선(non-ionizing radiation)을 기초로 하므로, 이는 유리하게 비-침습적인 형태의 이미징인 것으로 알려진다.
초음파 이미징에 사용되는 다양한 알려진 초음파 트랜스듀서(ultrasound transducers)는 다수의 단점을 갖는다. 예컨대, 일부 초음파 트랜스듀서는 PZT(lead zirconate titanate)와 같은 압전 재료로 이루어진다. 하지만, PZT 재료의 6dB 대역폭은 일반적으로 약 70%로 제한된다. 특정한 복합 PZT 재료는 약간 증가된 대역폭을 갖지만, 여전히 최대 약 80%의 대역폭만을 달성한다. 다른 예로서, 단결정 재료는 초음파 프로브(ultrasound probes)의 성능을 개선하기 위한 노력으로 점점 더 많이 사용되고 있지만, 더 낮은 퀴리 온도(Curie temperatures)를 갖고 부러지기 쉽다. 다른 유형의 트랜스듀서 재료는 대역폭을 증가시킬 수 있는 용량성 미세가공된 초음파 트랜스듀서(Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer, CMUT) 프로브를 구축하기 위해 처리될 수 있는 실리콘이다. 하지만, CMUT 프로브는 매우 민감하거나 신뢰할 수 없다. 더욱이, CMUT 프로브는 몇 개의 동작 제한을 갖는다. 예컨대, CMUT 프로브는 비선형 센서이며, 따라서 일반적으로 고조파 이미징에 적합하지 않다. 덧붙여, CMUT 프로브는 적절히 동작하는 데 추가적인 바이어스 전압을 요구한다. 따라서, 더욱 높은 대역폭 및 감도를 갖는 센서를 포함하는 초음파 프로브에 대한 필요가 있다.
일반적으로, 일부 변형에서, 타겟을 이미징하기 위한 장치는, 제1 서브-개구를 형성하는 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소, 및 제2 서브-개구를 형성하는, 제1 유형과 상이한 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소를 포함할 수 있고, 제1 서브-개구는 제1 위상을 갖는 제1 신호를 수신하고, 제2 서브-개구는 제2 위상을 갖는 제2 신호를 수신한다. 장치는, 제1 신호 및 제2 신호를 결합함으로써 합성된 개구를 적어도 부분적으로 생성하도록 구성된 프론트-엔드(front-end)를 더 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 프론트-엔드는 본원에서 설명된 것과 같은 방법의 하나 이상의 양상을 사용하여 합성된 개구를 생성하도록 구성될 수 있다.
일반적으로, 일부 변형에서, 타겟을 이미징하기 위한 방법은 센서 어레이의 제1 서브-개구로부터 제1 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있고, 제1 서브-개구는 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소를 포함한다. 방법은 센서 어레이의 제2 서브-개구로부터 제2 신호를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있고, 제2 서브-개구는 제1 유형과 상이한 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소를 포함한다. 방법은 센서 어레이에 대한 합성된 개구를 형성하기 위해 제1 신호 및 제2 신호를 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
장치 및 방법의 일부 변형에서, 어레이 요소의 제1 유형은 음향파를 송신하도록 구성된 음향 트랜스듀서(예컨대, 압전 트랜스듀서 또는 용량성 미세가공된 초음파 트랜스듀서(CMUT) 센서)와 같은 비-광학 센서일 수 있고, 어레이 요소의 제2 유형은 위스퍼링 갤러리 모드(whispering gallery mode, WGM) 센서와 같은 광학 센서일 수 있다. 광학 센서는 마이크로스피어 공진기(microsphere resonator), 마이크로토로이드 공진기(microtoroid resonator), 마이크로링 공진기(microring resonator)(예컨대, 원형 단면 형태 또는 경주 트랙 또는 타원형과 같이 비-원형 단면 형태를 가짐), 마이크로버블 공진기(microbubble resonator), 광자 집적 회로(PIC) 공진기 및/또는 마이크로-디스크 공진기일 수 있다/이를 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 제1 및 제2 유형의 어레이 요소는 송신된 음향파에 대응하는 음향 에코(acoustic echoes)를 검출하도록 구성될 수 있다.
일부 변형에서, 방법은 제1 신호 및 제2 신호를 위상 정합하는(phase matching) 단계를 더 포함할 수 있다. 신호를 위상 정합하기 위해, 제1 신호에 제1 지연이 적용될 수 있거나, 및/또는 제2 신호에 제2 지연이 적용될 수 있다. 일부 경우에서, 제1 지연 및/또는 제2 지연은 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소로부터 매체로의 제1 전파 시간과 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소로부터 매체로의 제2 전파 시간 사이의 차에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 지연 및/또는 제2 지연은 음향 렌즈의 두께 및 음향 속도, 및/또는 음향 정합 층의 두께 및 음향 속도에 기초하여 결정될 수 있다. 제1 지연 및/또는 제2 지연은 각각의 어레이 요소 및/또는 서브-요소 사이의 다양한 차이를 고려한 지연 프로파일로 제시될 수 있다.
일부 변형에서, 방법은 신호의 잡음을 감소시키기 위해 및/또는 신호의 주파수 범위를 정합하기 위해 제1 신호 및/또는 제2 신호를 필터링하는 단계를 더 포함할 수 있다. 필터는 대역 통과 필터, 저역 통과 필터, 고역 통과 필터, 디지털 필터 등을 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 방법은 제1 신호 및/또는 제2 신호를 진폭 정합하기 위해 증폭 이득만큼 제1 신호 및/또는 제2 신호를 증폭하는 단계를 더 포함할 수 있다. 증폭 이득은 미리 설정된 값일 수 있거나 및/또는 이미징 깊이에 기초하여 결정될 수 있다. 증폭 이득은 상수 값을 포함하거나, 또는 각각의 어레이 요소에 대한 특정 이득을 제공하는 증폭 이득 값의 텐서(tensor)를 포함할 수 있다.
초음파 센서 어레이는 1차원(1D) 어레이, 1.25차원(1.25D) 어레이, 1.5차원(1.5D) 어레이, 1.75차원(1.75D) 어레이 또는 2차원(2D) 어레이일 수 있다. 일부 변형에서, 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소 및 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 1.25D 어레이 또는 1.5D 어레이로 배열될 수 있다. 1.25D 어레이 또는 1.5D 어레이의 각각은 제1 행 및 제2 행을 포함할 수 있다. 제1 행은 제1 수의 어레이 요소를 포함할 수 있고, 제2 행은 제2 수의 어레이 요소를 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 제1 행의 어레이 요소의 제1 수는 제2 행의 어레이 요소의 제2 수와 동일할 수 있다. 예컨대, 제1 행과 제2 행은 각각 128개의 어레이 요소를 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 제1 행의 어레이 요소의 제1 수는 제2 행의 어레이 요소의 제2 수와 상이할 수 있다. 예컨대, 제1 행은 128개의 어레이 요소를 포함할 수 있는 한편, 제2 행은 192개의 어레이 요소를 포함할 수 있다.
일부 변형에서, 제1 신호는 제1 유형의 다수의 어레이 요소로부터 발생하는 신호의 조합을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 신호는 제2 유형의 다수의 어레이 요소로부터 발생하는 신호의 조합을 포함할 수 있다. 유사한 유형의 어레이 요소로부터의 신호를 서로 가까운 거리의 신호와 결합하는 것은 혼합 어레이의 차원을 (예컨대, 1.5D 어레이로부터 1D 어레이로) 감소시킬 수 있다. 결과로서, 혼합 어레이는 더 적은 수의 필터 및/또는 증폭기를 요구할 수 있다.
일부 변형에서, 방법은 제1 신호 및 제2 신호를 주파수 정합하는 단계, 진폭 정합하는 단계 및 위상 정합하는 단계를 임의의 적합한 순서로 포함할 수 있다. 예컨대, 방법은 제1 신호 및 제2 신호를 주파수 정합하는 단계, 이어서 진폭 정합하는 단계, 그 후 위상 정합하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 방법은 제1 신호 및 제2 신호를 위상 정합하는 단계, 진폭 정합하는 단계 및 주파수 정합하는 단계를 순서대로 포함할 수 있다. 각각의 어레이 요소 유형에 대해 별도로 주파수 정합하는 단계, 진폭 정합하는 단계 및 위상 정합하는 단계를 수행한 이후에, 제1 신호 및 제2 신호가 결합될 수 있다. 조합은 일관된 조합을 수반할 수 있다.
일부 변형에서, 방법은 음향 신호를 송신하기 위한 제1 서브-개구, 및 음향 신호에 응답하여 음향 에코를 수신하기 위한 제1 서브-개구 및 제2 서브-개구의 조합을 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소로부터 음향 신호를 송신하기 위한 요소, 및 음향 신호에 응답하여, 음향 에코를 수신하기 위한 제1 서브-개구 또는 제2 서브-개구의 조합을 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 방법은 음향 신호를 송신하거나, 및/또는 음향 에코를 수신하기 위한 각도(예컨대, 조향 각도)를 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 위의 선택 프로세스는 모든 서브-개구, 어레이 요소 및/또는 각도가 완전히 커버될 때까지 되풀이하여 반복될 수 있다.
일부 변형에서, 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 폴리머 구조에 내장된 광학 센서(들)를 포함할 수 있다. 광학 센서(들)는 광 검출기로 광학 신호의 세트를 송신하기 위해 광섬유에 광학적으로 결합될 수 있다. 광학 센서(들)는 음향 에코에 응답하여 광학 신호를 변경하도록 구성될 수 있다.
도 1은 혼합 어레이를 갖는 예시적인 합성 개구 이미징 시스템의 블록도이다.
도 2는 혼합 어레이를 갖는 합성 개구 이미징 시스템의 예시적인 프론트-엔드의 블록도이다.
도 3은 혼합 어레이를 갖는 합성 개구 이미징 시스템의 예시적인 프론트-엔드의 블록도이다.
도 4는 혼합 어레이를 갖는 합성 개구 이미징 시스템의 예시적인 프로브의 블록도이다.
도 5는 합성 개구 이미징 시스템의 예시적인 혼합 어레이의 개략적인 예시이다.
도 6은 합성 개구 이미징 시스템의 예시적인 혼합 어레이의 개략적인 예시이다.
도 7은 합성 개구 이미징 시스템의 예시적인 혼합 어레이의 개략적인 예시이다.
도 8은 합성 개구 이미징 시스템의 예시적인 혼합 어레이의 개략적인 예시이다.
도 9는 합성 개구 이미징 시스템의 예시적인 혼합 어레이의 개략적인 예시이다.
도 10은 합성 개구 이미징 시스템의 예시적인 혼합 어레이의 개략적인 예시이다.
도 11은 혼합 어레이를 사용하여 합성 개구 이미징을 수행하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 12는 혼합 어레이를 사용하여 합성 개구 이미징을 수행하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 13은 혼합 어레이를 사용하여 합성 개구 이미징을 수행하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 14는 혼합 어레이를 사용하여 합성 개구 이미징을 수행하는 예시적인 방법의 블록도이다.
도 15는 혼합 어레이를 사용하여 합성 개구 이미징을 수행하는 예시적인 방법의 블록도이다.
도 16은 혼합 어레이를 사용하여 합성 개구 이미징을 수행하는 예시적인 방법의 블록도이다.
도 17은 혼합 어레이를 사용하여 합성 개구 이미징을 수행하는 예시적인 방법의 블록도이다.
도 18은 혼합 어레이에서 두 개의 유형의 센서에 의해 생성된 예시적인 신호를 도시한다.
도 19는 혼합 어레이에서 두 개의 유형의 센서에 대해 조정된(tailored) 두 개의 대역 통과 필터의 예시적인 주파수 응답을 도시한다.
도 20은 예시적인 혼합 어레이 윈도우 및 그의 대응하는 빔플롯(beamplots)을 도시한다.
도 21은 혼합 어레이 및 그의 대응하는 빔플롯에 대한 예시적인 합성된 개구 윈도우를 도시한다.
도 22는 균일한 어레이에 대한 예시적인 지연 프로파일 및 혼합 어레이에 대한 예시적인 지연 프로파일을 도시한다.
본 발명의 다양한 양상 및 변형의 비-제한적인 예가 본원에서 설명되고 첨부 도면에 예시된다.
다수의 상이한 유형의 어레이 요소를 포함하는 혼합 어레이를 갖는 초음파 프로브를 사용하는 합성 개구 이미징을 위한 방법 및 디바이스가 본원에서 설명된다. 본원에 설명된 혼합 어레이는 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소, 및 제1 유형과 상이한 제2 유형(예컨대, WGM 광학 공진기 등과 같은 광학 센서)의 하나 이상의 어레이 요소를 포함한다. 광학 센서는 다른 유형의 초음파 센서에 비해 초음파 신호의 수신에서 높은 감도 및 넓은 대역폭을 갖는다. 제1 유형(예컨대, 트랜스듀서 또는 비-광학 서브-어레이)의 하나 이상의 어레이 요소는 제1 신호의 세트를 형성하는 데 사용될 수 있다. 동시에, 제2 유형(예컨대, 광학 서브-어레이의 광학 센서)의 하나 이상의 어레이 요소는 제2 신호의 세트를 형성하는 데 사용될 수 있는 음향 에코를 검출하는 데 사용된다. 매우 민감한 광대역 광학 센서에 의해 생성된 제2 신호의 세트는 독립적으로 사용될 수 있거나, 또는 훨씬 더 개선된 이미지를 형성하기 위해 제1 신호의 세트와 결합될 수 있다. 광학 센서의 높은 감도 및 넓은 대역폭에 기인하여, 광학 센서에 의해 생성된 이미지는 개선된 공간 해상도, 개선된 콘트라스트 해상도(contrast resolution), 개선된 침투 깊이, 향상된 신호 대 잡음비(NSR), 개선된 조직 고조파 이미징 및/또는 개선된 도플러 감도를 가질 수 있다.
광학 센서는 초음파 신호를 생성하지 않으며, 따라서 초음파 신호를 생성하는 다른 트랜스듀서(예컨대, 압전 트랜스듀서, CMUT 등)와 혼합 어레이로 함께 사용된다. 혼합 어레이는 다양한 구성으로 배열될 수 있으며, 다양한 잡음 레벨, 진폭 응답, 위상 지연, 주파수 범위 등을 갖는 센서 요소를 포함할 수 있다. 결과적으로, 하나의 유형의 센서를 갖는 프로브에 일반적으로 사용되는 빔 형성 방법 및 디바이스는 다수의 유형의 센서의 혼합된 어레이를 사용하는 프로브에 사용될 수 없다.
각각의 혼합 어레이 구성에 대해, 빔 형성 방법 및 알고리즘은 혼합 어레이 구성에 맞도록 조정될 수 있다. 비-광학 서브-어레이 및 광학 서브-어레이 모두가 초음파 에코 신호를 수신하는 데 사용될 수 있으므로, 혼합 어레이의 수신 개구는 다수의 서브-개구로 나뉘어질 수 있다. 예컨대, 제1 수신 서브-개구(또한, "비-광학 개구"로도 지칭됨)는 광학 센서가 아닌 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 추가적으로, 제2 수신 서브-개구(또한, "광학 센서 개구"로도 지칭됨)는 하나 이상의 광학 센서를 포함할 수 있다. 수신 개구는 추가적인 서브-개구(예컨대, 제3 서브-개구, 제4 서브-개구 등)를 포함할 수 있다. 서브-개구로부터 수신된 신호는 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 합성된 개구를 생성하기 위해 이미징 시스템의 수신 빔 형성기에 의해 함께 결합될 수 있다.
합성 개구 초음파 이미징에 대해 빔 형성기를 사용하는 것은 다수의 장점을 갖는다. 예컨대, 합성 개구 초음파 이미징은 시스템 채널 카운트의 수를 증가시키지 않고, 개구 크기를 증가시킬 수 있다. 추가적으로, 합성 개구 초음파 이미징은 합성 개구 초음파 이미징에 의해 생성된 이미지의 라인 밀도(line density)를 감소시키지 않으면서 초음파 이미징의 프레임 레이트(frame rate)를 증가시킬 수 있다. 다른 예로서, 합성 개구 초음파 이미징은 송신 및 수신 모두에 대해 동적 포커싱을 실현함으로써 이미지 품질을 개선할 수 있다.
합성 개구 이미징 시스템
도 1은 혼합 어레이를 갖는 예시적인 합성 개구 이미징 시스템(100)의 블록도이다. 합성 개구 이미징 시스템(100)은 프로브(125), 이미징 시스템(160) 및 디스플레이(170)를 포함한다. 프로브(125)는 이미징 시스템(160)에 결합될 수 있다(예컨대, 통신 가능하게 결합될 수 있다). 프로브(125)는 이미징 시스템(160)으로부터 신호의 세트(예컨대, 전기 신호, 광학 신호 등)를 수신하거나, 및/또는 이미징 시스템(160)으로 신호의 세트를 송신할 수 있다. 프로브(125)는 초음파 이미지를 형성하기 위해 매체로부터 신호의 세트(예컨대, 음향 신호 등)를 수신하거나, 및/또는 매체로 신호의 세트를 송신할 수 있는 혼합 어레이(110)를 포함할 수 있다. 이미징 시스템(160)은 (예컨대, 하나 이상의 송신 채널을 통해) 프로브로 송신된 신호의 물리적인 매개변수(예컨대, 타이밍, 위치, 각도, 밀도 등)를 집합적으로 결정하고, (예컨대, 하나 이상의 수신 채널을 통해) 프로브(125)에 의해 수신된 신호를 처리하여 이미지를 형성할 수 있는 프론트-엔드(140) 및 백-엔드(150)를 포함할 수 있다. 이미징 시스템(160)은 또한, 디스플레이(170)에 신호의 세트(예컨대, 전기 신호, 전자기 신호 등)를 송신하기 위해 디스플레이(170)에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 예컨대, 일부 변형에서, 디스플레이(170)는 (예컨대, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI))에서 이미징 시스템(160)에 의해 생성된 이미지를 디스플레이하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 이미징 시스템(160)은 디스플레이(170)로부터 신호를 수신할 수 있다. 예컨대, 디스플레이(170)는 가령, 합성 개구 이미징 시스템(100)의 동작을 제어하기 위해, 합성 개구 이미징 시스템(100)의 사용자로부터 명령을 수신하기 위한 대화형 인터페이스(예컨대, 터치 스크린, 키보드, 모션 센서 등)를 더 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 프로브(125)는 혼합 어레이(110), 멀티플렉서(120) 및 광학 센서 케이블(130)을 포함할 수 있다. 혼합 어레이(110)는 제1 유형(PZT 트랜스듀서, CMUT 트랜스듀서 등과 같은 비-광학 센서)의 하나 이상의 어레이 요소 및 제2 유형(WGM 공진기와 같은 광학 센서)의 하나 이상의 어레이 요소를 포함할 수 있다. 비-광학 트랜스듀서는 음향파를 송신하도록 구성될 수 있으며, 일부 변형에서, 송신된 음향파에 응답하여 에코 신호를 추가로 수신 및 검출하도록 구성될 수 있다. 광학 센서는 고감도 및 광대역 응답으로 에코 신호를 수신 및 검출하도록 구성될 수 있다. 일부 변형에서, 프로브(125)는 혼합 어레이(110)를 사용함으로써 시야를 가로질러 반복적으로 스캔하도록 구성될 수 있다. 이렇게 하면 아래에서 추가로 상세히 설명되는 바와 같이, 광학 센서 및/또는 비-광학 트랜스듀서를 사용하여 이미지를 생성할 것이다. 혼합 어레이(110)의 비-광학 트랜스듀서는 이미징 시스템(160)과 비-광학 트랜스듀서 사이에서 송신된 및/또는 수신된 전기 신호를 처리하는 멀티플렉서(120)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 혼합 어레이(110)의 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 이미징 시스템(160)과 광학 센서 사이에서 송신된 및/또는 수신된 광학 신호를 처리하는 광학 센서 케이블(130)에 동작 가능하게 결합될 수 있다.
멀티플렉서(120)는 개별적인 시스템 채널을 원하는 어레이 요소에 선택적으로 연결하는 기능을 한다. 멀티플렉서(120)는 아날로그 스위치를 포함할 수 있다. 아날로그 스위치는 매우 많은 수의 고전압 아날로그 스위치를 포함할 수 있다. 각각의 아날로그 스위치는 개별적인 시스템 채널에 연결될 수 있다. 결과로서, 멀티플렉서(120)는 혼합 어레이(110)의 원하는 트랜스듀서 요소에 이미징 시스템(160)의 시스템 채널의 세트로부터 개별적인 시스템 채널을 선택적으로 연결할 수 있다.
광학 센서 케이블(130)은 광학 센서로 광학 신호를 송신하거나 및/또는 광학 센서로부터 광학 신호를 수신하기 위한 전용 광학 경로를 포함할 수 있다. 광학 센서 케이블(130)은 광섬유 케이블(들) 또는 동축 케이블(들)과 같은 하나 이상의 광학 도파관을 포함할 수 있다. 광학 센서 케이블(130)의 특성은 광학 신호의 유형, 광학 센서의 유형 및/또는 광학 센서의 배열에 의존할 수 있다. 일부 구성에서, 다수의 광학 센서(예컨대, 광학 센서의 전체 서브-어레이, 또는 그의 일부를 형성하는 임의의 두 개 이상의 광학 센서)는 단일 광학 도파관에 광학적으로 결합될 수 있다. 따라서, 다수의 광학 센서의 신호는 단일 광학 도파관에 결합되고, 단일 광학 도파관에 의해 전달될 수 있다. 일부 구성에서, 광학 센서의 서브-어레이는 광학 도파관의 어레이에 1:1 비율로 광학적으로 결합될 수 있다(예컨대, 각각의 광학 센서는 개개의 광학 도파관에 결합될 수 있다). 따라서, 광학 센서의 서브-어레이로부터의 광학 신호는 광학 센서 케이블(130)의 하나 이상의 광학 도파관에 의해 결합되고, 이미징 시스템(160)에 전달될 수 있다. 나아가, 일부 변형에서 합성 개구 이미징 시스템(100)은 위에서 설명된 바와 같이 구성된 다수의 광학 센서 케이블을 포함할 수 있다.
이미징 시스템(160)은 프론트-엔드(140) 및 백-엔드(150)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 프론트-엔드(140)는 음향 빔을 생성하고 전기 및/또는 광학 신호를 수신하기 위해 프로브(125)와 인터페이스한다(interface). 백-엔드 시스템(153)은 이미지를 생성하기 위해 프론트-엔드를 통해 혼합 어레이(110)로부터 수신된 신호를 처리하기 위한 하나 이상의 프로세서, 이미지를 저장하기 위해 프로세서에 동작 가능하게 결합된 메모리, 및/또는 (예컨대, 그래픽 사용자 인터페이스를 통해) 사용자에게 이미지를 제시하기 위한 통신 인터페이스를 포함할 수 있다.
예컨대, 디스플레이(170)는 이미징 시스템(160)에 의해 생성된 이미지의 세트를 디스플레이하기 위해 이미징 시스템(160)의 백엔드 시스템(150)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 일부 변형에서, 디스플레이(170)는 추가적으로 또는 대안적으로 대화형 사용자 인터페이스(예컨대, 터치 스크린)를 포함할 수 있고, 이미징 시스템(160)에 명령의 세트(예컨대, 일시 중지, 다시 시작 등)를 송신하도록 구성될 수 있다. 일부 변형에서, 합성 개구 이미징 시스템(100)은 합성 개구 이미징 시스템(100)에 정보를 입력하거나 또는 합성 개구 이미징 시스템(100)으로부터 정보를 출력하는 데 사용되는 하나 이상의 보조 디바이스(미도시)의 세트를 더 포함할 수 있다. 보조 디바이스의 세트는 예컨대, 키보드(들), 마우스(들), 모니터(들), 웹캠(들), 마이크(들), 터치 스크린(들), 프린터(들), 스캐너(들), 가상 현실(virtual reality, VR) 헤드-마운티드 디스플레이(head-mounted display), 조이스틱(들), 생체 판독기(들) 등(미도시)을 포함할 수 있다.
도 2는 혼합 어레이(110)를 갖는 합성 개구 이미징 시스템(100)의 예시적인 프론트-엔드(140)의 블록도이며, 여기서 비-광학 센서 및 광학 센서 모두가 초음파 신호를 검출하는 데 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일부 변형에서, 프론트-엔드(140)는 프로브 인터페이스(들)(141), 송신기(들)(142), 수신기(들)(143), 광음향 수신기(들)(144), 송신 빔 형성기(들)(146) 및 수신 빔 형성기(들)(145)를 포함할 수 있다. 송신 빔 형성기(146)는 하나 이상의 송신 채널을 포함할 수 있고, 수신 빔 형성기(145)는 하나 이상의 수신 채널을 포함할 수 있다. 각각의 송신 또는 수신 채널은 혼합 어레이(110)의 어레이 요소에 (예컨대, 전기 배선의 세트를 통해, 광학 도파관의 세트 통해 등) 연결될 수 있다. 예컨대, 송신 빔 형성기(146)는 128개의 송신 채널을 포함할 수 있고, 수신 빔 형성기(145)는 256개의 수신 채널을 포함할 수 있다.
송신 빔 형성기(146)는 이미징 모드를 기초로 다양한 송신 파형을 생성할 수 있다. 파형은 프로브 인터페이스(141)를 통해 프로브(125)의 요소에 적용되기 전에, 송신기(142)에 의해 증폭될 수 있다. 프로브 인터페이스(141)는 프로브(125)가 이미징 타겟을 향해 음향 신호를 전송할 수 있도록, 혼합 어레이(110)를 갖는 프로브(125)에 이미징 시스템(160)을 연결하는 역할을 한다. 수신기(143)는 입력으로서 음향 신호에 응답하여 비-광학 센서에 의해 검출된 에코 신호를 수신하고, 이들 에코 신호를 처리하여 출력으로서 디지털화된 제1 신호의 세트를 생성하고, 수신 빔 형성기(145)로 이러한 출력을 전송할 수 있다. 추가적으로, 광음향 수신기(144)는 입력으로서 음향 신호에 응답하여 광학 센서에 의해 검출된 에코 신호를 수신하고, 이들 에코 신호를 처리하여 출력으로서 디지털화된 제2 신호의 세트를 생성하고, 수신기 빔 형성기(145)로 이러한 출력을 전송할 수 있다. 수신 빔 형성기(145)는 수신 빔을 생성하기 위해 제1 신호의 세트 및 제2 신호의 세트를 사용한다.
도 3은 혼합 어레이(110)를 갖는 합성 개구 이미징 시스템(100)의 예시적인 프론트-엔드(140)의 블록도이며, 혼합 어레이(110)의 광학 센서만이 초음파 에코 신호를 검출하는 데 사용된다(즉, PZT 서브-어레이(113)의 센서와 같은 비-광학 센서는 에코 신호를 검출하지 않고 초음파 신호를 송신하는 데에만 사용된다). 도 3에 도시된 바와 같이, 프론트-엔드(140)는 송신기(142), 광음향 수신기(144), 송신 빔 형성기(146) 및 수신 빔 형성기(145)를 포함할 수 있다. 송신기(142)는 비-광학 어레이 요소가 음향파를 송신하는 것을 가능하게 하기 위해, PZT 서브-어레이(113)와 같은 비-광학 센서에 (예컨대, 프로브 인터페이스(141)를 통해) 연결되거나 동작 가능하게 결합될 수 있다. 혼합 어레이의 광학 센서 서브-어레이(115)는 에코 신호를 검출하고, 이들을 광음향 수신기(144)에 전달하는 데 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 변형과 대조적으로, 도 3에 도시된 변형에서 비-광학 센서에 의해 어떠한 신호도 검출되지 않기 때문에, 음향 에코에 기초하여 신호를 생성하는 데 비-광학 센서와 연관된 어떠한 별도의 수신기(143)도 요구되지 않는다. 따라서, 수신 빔 형성기(145)는 수신 빔을 생성하기 위해 광음향 수신기(144)에 의해 생성된 신호를 사용한다.
도 4는 혼합 어레이(110)를 갖는 합성 개구 이미징 시스템(100)의 예시적인 프로브(125)의 블록도이다. 프로브(125)는 혼합 어레이(110), 광원(들)(117), 열 제어 유닛(들)(119), 광 검출기(들)(111) 및 멀티플렉서(들)(121)를 포함할 수 있다. 광원(117)은 연속파(continuous wave, CW) 또는 펄스 광 방출(자극 방출(stimulated emission), 자연 방출(spontaneous emission) 등)을 생성할 수 있다. 광원(117)은 광학 센서 서브-어레이(115)의 광학 공진기에 광학적으로 결합된 도파관 매체(예컨대, 광섬유, 자유 공간, 광자 집적 회로 도파관 등)의 일단에 광 방출을 더 아웃-커플링(out-couple)할 수 있다. 광 검출기(111)는 도파관 매체의 타단의 광학 공진기로부터 아웃-커플링된 광을 수신한다. 아웃-커플링된 광은 일반적으로 광학 공진기 및 음향 진동(예컨대, 반사된 음향파에 대응함)의 존재에 기인하여, 위상, 진폭 및/또는 스펙트럼 변화를 겪는다. 프로브(125)의 열 제어(119)는 광학 공진기에 대해 일정한 온도를 유지할 수 있다. 일부 경우에서, 열 제어(119)는 광학 공진기의 광학 응답을 안정화시키는 데 사용될 수 있다.
혼합 어레이
혼합 어레이(110)는 센서 요소의 어레이를 포함하고, 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 1차원(1D) 구성, 1.25차원(1.25D) 어레이 구성, 1.5차원(1.5D) 어레이 구성, 1.75차원(1.75D) 어레이 구성 또는 2차원(2D) 어레이 구성에서의 동작을 위해 구성될 수 있다. 일반적으로, 초음파 센서 어레이의 차원은 초음파 센서 어레이로 이미징할 때 달성할 수 있는 상하 빔 폭(elevation beam width)(또는 상하 빔 슬라이스 두께)의 범위, 및 시스템이 센서 어레이의 상하 빔 개구 크기, 초점 및/또는 이미징 필드 전체를 통한(예컨대, 이미징 깊이 전체를 통한) 조향을 얼마나 많이 제어하는지에 관련된다. 1D 어레이는 상하 차원 및 고정된 상하 개구 크기의 하나의 행의 요소만을 갖는다. 1.25D 어레이는 상하 차원 및 가변 상하 개구 크기의, 하지만 음향 렌즈를 통해 고정된 상하 초점의 다수의 행의 요소를 갖는다. 1.5D 어레이는 전자 지연 제어를 통해 상하 차원, 가변 상하 개구 크기 및 가변 상하 초점의 다수의 행의 요소를 갖는다. 1.75D 어레이는 추가적인 상하 빔 조향 능력을 갖는 1.5D 어레이이다. 2D 어레이는 큰 빔 조향 각도에 대한 최소 피치 요건을 충족시키기 위해, 측면 및 상하 차원 모두에 다수의 요소를 갖는다.
일부 변형에서, 합성 개구 초음파 이미징 시스템은 1.5D 어레이 구성 또는 2D 어레이 구성을 1D 어레이 구성으로 전환할 수 있다. 혼합 어레이(110)는 매우 많은(예컨대, 16, 32, 64, 128, 256, 1024, 4096, 8192, 16384개 등) 요소를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 혼합 어레이(110)는 직사각형 구성으로 배열될 수 있고, N x M 요소를 포함할 수 있으며, 여기서 N은 행의 수이고 M은 열의 수이다. 혼합 어레이(110)는 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소 및 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소를 포함하고, 여기서 제1 유형은 초음파를 송신하도록 구성된 트랜스듀서 또는 다른 비-광학 센서일 수 있고, 제2 유형은 WGM 광학 공진기와 같은 광학 센서일 수 있다. 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소 및 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 직사각형 배열, 곡선 배열, 원형 배열 또는 희소 어레이 배열(sparse array arrangement)로 집합적으로 위치될(positioned) 수 있다. 예컨대, 일부 변형에서 혼합 어레이는 미국 특허 출원 제63/029,044호에서 설명된 혼합 어레이 중 임의의 것과 유사할 수 있으며, 이는 그 전체가 본원에 참조로 통합된다. 더욱이, 혼합 어레이는 미국 특허 출원 제63/046,888호에서 설명된 바와 같은 고조파 이미징을 수행하도록 구성될 수 있으며, 이는 그 전체가 본원에 참조로 통합된다.
혼합 어레이(110)의 트랜스듀서(들)는 예컨대, PZT(lead zirconate titanate) 트랜스듀서(들), PTF(polymer thick film) 트랜스듀서(들), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 트랜스듀서(들), 용량성 미세가공된 초음파 트랜스듀서(CMUT) 트랜스듀서(들), 압전 미세가공된 초음파 트랜스듀서(PMUT) 트랜스듀서(들), 광음향 센서(들), 단결정 재료 기반 트랜스듀서(들)(예컨대, LiNbO3(LN), Pb(Mg1/3Nb2/3)-PbTiO3(PMN-PT), 및 Pb (In1/2Nb1/2)-Pb(Mg1/3Nb2/3)-PbTiO3(PIN-PMN-PT)), 및/또는 음향 감지에 적합한 임의의 센서를 포함할 수 있다.
광학 센서 각각은 예컨대, 마이크로링 공진기(microring resonator), 마이크로스피어 공진기(microsphere resonator), 마이크로토로이드 공진기(microtoroid resonator), 마이크로버블 공진기, 섬유-기반 공진기, 집적 광자 공진기, 마이크로-디스크 공진기(micro-disk resonator) 등과 같은 광학 공진기일 수 있다/이를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 광학 센서는 하나 이상의 WGM 광학 공진기를 포함할 수 있다. 예컨대, 일부 변형에서 광학 센서는 PCT 출원 제PCT/US2020/064094호, 제PCT/US2021/022412호 및 제PCT/US2021/033715호에서 설명된 광학 공진기 중 임의의 것과 유사할 수 있으며, 이의 각각은 그 전체가 본원에 참조로 통합된다. 광학 센서는, 일부 허가된 주파수의 광이 폐쇄된 루프 내로 계속 전파하고 허가된 주파수의 광의 광학 에너지를 폐쇄된 루프에 저장하는 것을 허용하는 투명한 재료(예컨대, 유리, 투명 폴리머, 실리콘 질화물, 이산화티타늄, 또는 광학 공진기의 동작 파장에서 적합하게 광학적으로 투명한 임의의 다른 재료)의 폐쇄된 루프를 포함할 수 있다. 전술한 것은 광학 공진기가 광학 공진기의 오목한 표면을 이동하고 공진기의 둘레를 순환하도록 허가된 주파수에 대응하는 전파 모드(예컨대, 위스퍼링 갤러리 모드(whispering gallery modes, WGM))를 허가할 수 있다고 말하는 것과 동일하다. 각각의 모드는 허가된 주파수의 광으로부터 일 주파수의 광의 전파에 대응한다. 본원에서 설명된 광학 공진기의 허가된 주파수의 광 및 품질 인자는 광학 공진기의 기하학적 매개변수, 투명한 매체의 굴절률 및 광학 공진기를 둘러싸는 환경의 굴절률에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 광학 공진기의 공진 주파수(예컨대, WGM 세트의 전파에 기인함)는 매우 민감한 감지 프로브에 적합한 고품질 인자를 가질 수 있다. 일반적으로, 광학 공진기의 품질 인자를 증가시킴으로써 광학 센서의 감도가 개선될 수 있다. 특히, 일부 변형에서, 감도는 광학 공진기의 기하학적 매개변수에 의해 제어될 수 있다. 초음파 검출기로 사용될 때, 광학 공진기는, 낮은 잡음 등가 압력 및 광대역 작동 대역폭을 가질 수 있다. 일부 변형에서, 광학 공진기는 광학 도파관에서 전파하는 광이 광섬유에서 결합되고 광섬유의 둘레에서 전파될 때, 광섬유 및 광학 도파관의 단면에 형성된 감지 노드를 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 광학 센서는 집적된 광자 광학 공진기를 포함할 수 있다.
광학 공진기 내부 및/또는 그 주변의 공간은 예컨대, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 파릴렌(parylene), 폴리스티렌(polystyrene) 등과 같은 초음파 향상 재료로 채워질 수 있다. 초음파 향상 재료는 광학 센서의 감도를 증가시킬 수 있다. 예컨대, 초음파 향상 재료는 광학 공진기가 초음파 에코의 세트를 수신하는 것에 응답하여, (예컨대, 초음파 에코의 세트에 의해 유도된 기계적인 응력 또는 변형을 수신할 시) 초음파 향상 재료의 굴절률이 광학 공진기의 재료(들) 중 재료의 굴절률보다 더 변하도록, 상대적으로 높은 탄성-광학 계수를 가질 수 있다.
광학 공진기는 광을 수신하고, 광을 송신하고, (예컨대, 음향-광학 시스템의 초음파 이미징 또는 다른 감지 응용에 대해) 실제로 유용하도록, 외부 세계에 결합될 수 있다. 일부 구현에서, 광학 공진기는 광섬유(예컨대, 테이퍼된(tapered) 광섬유)를 통해, 광원(예컨대, 레이저, 튜닝 가능한 레이저(tunable laser), 에르븀 도핑된 섬유 증폭기 등) 및/또는 광 검출기에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 광학 센서에 기반한 음향-광학 시스템은 초음파(예컨대, 초음파 에코)에 응답하는 공진기(들)의 물리적 변형 및/또는 광탄성 효과를 통해 초음파를 직접적으로 측정할 수 있다. 따라서, 광학 센서는, 기계적 에너지(예컨대, 음향 에너지)를 광학 에너지로 변환할 수 있는 광음향 트랜스듀서로 고려될 수 있다. 예컨대, 초음파(또는 임의의 압력) 파동의 존재 시, 공진기를 이동하는 모드는 공진기의 굴절률 및 형태의 변화에 의해 유발되는 스펙트럼 시프트 또는 진폭 변화를 겪을 수 있다. 스펙트럼 변화는 광 검출기를 사용하여 스펙트럼 도메인(spectral domain)에서 쉽게 모니터링되고 분석될 수 있다. 진폭 변화는 또한, 광 검출기에 의해 검출될 수 있다. 광 검출기는 결국, 광학 공진기 및 광섬유에서 전파되는 광학 에너지(즉, 광학 신호)를 전자 회로로 처리하기에 적합한 전기 에너지(즉, 전기 신호)로 변환한다. 나아가, 추가적인 공간 및 다른 정보는 혼합 어레이 사이에서 광학 공진기의 광학 응답을 모니터링하고 분석함으로써 도출될 수 있다. 예시적인 혼합 초음파 어레이가 본원에서 설명된다.
일부 변형에서, 혼합 어레이(110)는 상하 차원에서 하나 이상의 행을 포함할 수 있다. 예컨대, (제1 유형 및 제2 유형의) 어레이 요소는 다수의 행 및 다수의 열을 포함하는 직사각형 어레이에 집합적으로 위치될 수 있다. 일부 변형에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 혼합 어레이(110)는 상하 차원에서 3개의 행의 요소를 포함할 수 있다. 3개의 행은 하나의 내부 행 및 두 개의 외부 행을 포함한다. 두 개의 외부 행은 제2 유형(114)(예컨대, WGM 광학 공진기와 같은 광학 공진기)으로 이루어질 수 있다. 내부 행은 제1 유형(112)(예컨대, PZT 트랜스듀서 또는 다른 유형의 트랜스듀서)으로 이루어질 수 있다. 두 개의 외부 행은 대응하는 열에 병렬로 위치된 동일한 수의 요소를 포함할 수 있다. 2개의 외부 행에서 동일한 열에 위치된 각 쌍의 요소(114)는 1.25차원(1.25D) 어레이 구성 또는 1.5차원(1.5D) 어레이 구성에 대한 단일의 결합된 외부 요소를 형성하기 위해 선택적으로 연결될 수 있다(예컨대, 전기적으로 연결되거나 또는 전자기적으로 결합될 수 있다).
도 5가 세 개의 행을 갖는 혼합 어레이(110)를 도시하지만, 일부 변형에서 행의 수는 3, 5, ... 2n+1과 같은 임의의 홀수일 수 있으며, 여기서 n은 정수이다. 일부 변형에서, 제1 유형(112)의 어레이 요소는 홀수의 행의 세트의 중앙 행에 배열될 수 있다. 예컨대, 1.5D 어레이 구성은 중앙 행에 PZT 트랜스듀서 행을 갖는 5개의 행, 중앙 행에 인접한 두 개의 광학 공진기 행, 광학 공진기 행에 인접한 가장 바깥쪽 행 상의 두 개의 PZT 트랜스듀서 행을 포함할 수 있다. 중앙 행에 트랜스듀서를 포함하는 것이 일부 변형에서 유리할 수 있다. 예컨대, 중앙 행이 초음파의 송신 및 수신 모두를 수행할 수 있는 제1 유형(112)의 트랜스듀서 요소를 포함하므로, 상하 아포다이제이션 프로파일(elevation apodization profile)은 트랜스듀서의 송신 모드 및 수신 모드 모두의 중간에 "딥(dip)"을 갖지 않는다. 상하 아포다이제이션 프로파일에서 발생하는 이 딥은 이미지 품질을 저하시키고 이미지 아티팩트를 도입할 수 있다. 따라서, (예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이) 중앙 행에 제1 유형(112)의 트랜스듀서 요소를 배열하는 것은 유리하게는 이러한 이미지 품질 및 이미지 아티팩트의 열화를 회피하는 데 도움을 줄 수 있다. 하지만, 일부 변형에서, 혼합 센서 어레이는 중앙 행에 광학 공진기를 포함할 수 있다.
일부 변형에서, 행의 수는 2, 4, ... 2n과 같은 임의의 짝수일 수 있으며, 여기서 n은 정수이다. 예컨대, 1.25D 어레이 구성 또는 1.5D 어레이 구성은, 하나의 행에 제1 수의 PZT 트랜스듀서 요소(또는 다른 트랜스듀서 요소)를 갖고 다른 행에 제2 수의 광학 센서 요소를 갖는 적어도 두 개의 행을 포함할 수 있다. 일부 변형에서, 제1 수 및 제2 수는 동일할 수 있는 한편, 다른 변형에서 제1 수 및 제2 수는 상이할 수 있다(예컨대, 하나의 행은 128개의 어레이 요소를 포함할 수 있는 한편, 다른 행은 192개의 어레이 요소를 포함할 수 있다).
도 6은 예시적인 혼합 어레이의 개략적인 설명이다. 혼합 어레이(110)는 제1 유형(예컨대, PZT 트랜스듀서 또는 다른 유형의 트랜스듀서)의 하나 이상의 어레이 요소 및 제2 유형(예컨대, WGM 공진기와 같은 광학 센서)의 하나 이상의 어레이 요소를 포함할 수 있다. 혼합 어레이(110)는 제1 유형의 적어도 하나의 어레이 요소 및 제2 유형의 적어도 하나의 어레이 요소를 갖는 적어도 하나의 행을 포함할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 혼합 어레이(110)는 예컨대, 제1 유형의 적어도 하나의 어레이 요소 및 제2 유형의 적어도 하나의 어레이 요소를 포함하는 중앙 행을 포함할 수 있다. 예컨대, 중앙 행은 제2 유형의 단일 어레이 요소를 가질 수 있는 한편, 다른 행은 제1 유형의 어레이 요소만을 가질 수 있다. 제2 유형의 단일 어레이 요소는 송신된 음향파의 파장과 거의 동일하거나 또는 그보다 작은 광학 공진기일 수 있다. 일부 변형에서, 단일 광학 공진기의 사용은 이미지 품질 개선을 위해 광학 센서의 초고감도를 활용하면서, 프로브 제조의 복잡도를 최소화할 수 있다.
도 7은 예시적인 혼합 어레이의 개략적인 설명이다. 혼합 어레이(110)는 두 개 이상의 행을 포함할 수 있다. 두 개 이상의 행 각각은 제1 유형(예컨대, PZT 트랜스듀서 또는 다른 유형의 트랜스듀서)의 적어도 하나의 어레이 요소 및 제2 유형(예컨대, WGM 공진기와 같은 광학 센서)의 적어도 하나의 어레이 요소를 가질 수 있다. 제2 유형의 어레이 요소는 규칙적인 패턴으로 공간적으로 분포되거나, 또는 불규칙한 패턴(예컨대, 무작위 패턴)으로 공간적으로 분포될 수 있다. 내부 행 및 두 개의 외부 행 상의 요소의 세트는 광학 공진기(114)를 포함할 수 있고, 요소의 나머지는 예컨대 PZT 트랜스듀서(들) 및/또는 CMUT 트랜스듀서(들)를 포함하는 제1 유형(112)을 포함한다. 일부 구성에서, 광학 공진기(114)의 위치의 공간 분포는 무작위일 수 있다. 일부 구성에서, 광학 공진기(114)의 위치의 공간 분포는 배치 패턴(dispositioning pattern)을 따를 수 있다(예컨대, 동일함, 센서 요소 중 오른쪽으로 하나의 셀만큼 시프트, 센서 요소 중 아래쪽으로 두 개의 셀만큼 시프트). 광학 센서의 크기는 제1 유형(112)의 크기 이하일 수 있다.
도 8은 다수의 어레이 요소 또는 센서 요소를 포함하는 단일 행을 포함하는 예시적인 1D 혼합 어레이(110)의 개략적인 설명이다. 다수의 어레이 요소는 제1 유형(112)(예컨대, PZT 트랜스듀서 또는 다른 유형의 트랜스듀서)의 적어도 하나의 어레이 요소 및 제2 유형(114)(예컨대, WGM 광학 공진기와 같은 광학 센서)의 적어도 하나의 어레이 요소를 포함할 수 있다. 일부 구성에서, 제1 유형(112)의 것 및 제2 유형(114)의 것의 공간 분포는 무작위일 수 있다. 일부 구성에서, 제1 유형(112)의 어레이 요소 및 제2 유형(114)의 어레이 요소의 공간 분포는 배치 패턴을 따를 수 있다. 하나의 유형의 센서만을 포함하는 전통적인 1D 어레이와 비교하여, 혼합 어레이는 광학 센서의 추가에 기인하여 감지 대역폭 및/또는 감도에서 개선된 성능을 가질 수 있다.
도 9는 직사각형 구성으로 배열된 예시적인 2D 혼합 어레이(110)의 개략적인 설명이며, NxM개의 센서 요소를 포함할 수 있고, 여기서 N은 행의 수이고 M은 열의 수이며 둘 모두 정수이다. 일부 구현에서, 행의 수 및/또는 열의 수는 31개의 행 및/또는 31개의 열보다 클 수 있다. 예컨대, 2D 혼합 어레이는 64x96 = 6,144개의 센서 요소를 포함할 수 있다. 혼합 어레이(110)는 직사각형 배열로 집합적으로 위치될 수 있는, 제1 유형(예컨대, PZT 트랜스듀서 또는 다른 유형의 트랜스듀서)의 하나 이상의 어레이 요소 및 제2 유형(예컨대, WGM 광학 공진기와 같은 광학 센서)의 하나 이상의 어레이 요소를 포함할 수 있다. 일부 구성에서, 제1 유형(112) 및 제2 유형(114)의 공간 분포는 무작위일 수 있다. 일부 구성에서, 제1 유형(112) 및 제2 유형(114)의 공간 분포는 배치 패턴을 따를 수 있다.
도 10은 희소 어레이 구성의 예시적인 2D 혼합 어레이(110)의 개략적인 설명이다. 완전히 샘플링된 배열 대신에 희소 배열 구성으로 혼합 어레이(110)를 배열하는 것은, 혼합 어레이를 제조하는 데 사용되는 센서 요소의 총 수를 감소시킬 수 있다. 예컨대, 완전히 샘플링된 2D의 동일한 크기를 갖는 희소 2D 어레이는 완전히 샘플링된 혼합 어레이의 64x96 = 6,144개 센서 요소에 비해 1000개의 센서 요소만을 포함할 수 있다. 혼합 어레이(110)는 희소 어레이 구성에 집합적으로 위치된, 제1 유형(예컨대, PZT 트랜스듀서 또는 다른 유형의 트랜스듀서)의 하나 이상의 어레이 요소 및 제2 유형(예컨대, WGM 광학 공진기와 같은 광학 센서)의 하나 이상의 어레이 요소를 포함할 수 있다. 제1 유형(112)의 어레이 요소 및 제2 유형(114)의 어레이 요소의 공간 분포는 무작위이거나, 또는 통계적 분포(예컨대, 정규 분포, 가우시안 분포 등)를 따를 수 있다. 제1 유형(112) 및 제2 유형(114)의 어레이 요소의 희소 공간 분포를 사용함으로써, 혼합 어레이에 의해 생성된 이미지에서 격자 로브(grating lobe)의 생성이 감소/방지될 수 있다. 제1 유형(112)의 어레이 요소의 공간 분포는 제2 유형(114)의 어레이 요소의 공간 분포와 동일하거나, 유사하거나, 또는 상이할 수 있다. 예컨대, 혼합 어레이(110)에서 광학 센서의 세트의 제1 위치의 세트는 균일한 분포를 가질 수 있고, 혼합 어레이(110)에서 PZT 트랜스듀서 세트의 제2 위치의 세트는 정규 분포를 가질 수 있다.
합성 개구 이미징을 수행하는 방법
아래에서 설명되는 도 11-17은 합성 개구 이미징을 수행하는 예시적인 방법의 양상을 예시한다. 합성 개구 이미징을 수행하는 방법은 합성 개구 이미징 시스템(가령, 도 1에 대해 도시되고 설명된 합성 개구 이미징 시스템(100))의 일부이거나 및/또는 이에 동작 가능하게 결합된 합성 개구 컴퓨팅 디바이스(미도시)에 의해 실행될 수 있다. 합성 개구 컴퓨팅 디바이스는 프로세서, 메모리 및 통신 인터페이스와 같은 전자 회로의 세트를 포함할 수 있다. 프로세서는 예컨대, 명령어/코드의 세트를 구동하거나 또는 실행하기 위한 하드웨어 기반 집적 회로(IC) 또는 임의의 다른 적합한 디바이스를 포함할 수 있다. 예컨대, 프로세서는 범용 프로세서, 중앙 처리 유닛(Central Processing Unit, CPU), 가속 처리 유닛(Accelerated Processing Unit, APU), 주문형 집적 회로(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), 마이크로프로세서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA) 칩, 그래픽 처리 유닛(GPU), 디지털 신호 처리(DSP) 칩 등을 포함할 수 있다. 메모리는 예컨대 프로세서로 하여금 하나 이상의 프로세스 또는 기능(예컨대, 신호 필터링, 신호 증폭, 위상 정합, 잡음 감소, 개구 선택 등)을 수행하게 하는 명령어를 포함하는 코드를 저장할 수 있다. 메모리는 예컨대, 메모리 버퍼, RAM(Random Access Memory), ROM(Read-Only Memory), 플래시 드라이브, SD(Secure Digital) 메모리 카드 등일 수 있다/포함할 수 있다. 통신 인터페이스는 USB 인터페이스, PCIe 인터페이스, 또는 프로세서 및/또는 메모리에 동작 가능하게 결합된 하드웨어 구성요소일 수 있고/포함할 수 있고, 합성 개구 컴퓨팅 디바이스의 합성 개구 이미징 시스템의 구성요소 및/또는 일부 변형에서 외부 디바이스 및/또는 디바이스의 네트워크(예컨대, 인터넷)와의 통신을 가능하게 할 수 있다.
합성 개구 컴퓨팅 디바이스는, 메모리에 저장되고 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어로서 애플리케이션을 포함할 수 있다. 예컨대, 애플리케이션은 프로세서로 하여금 개구를 선택하고, 신호를 분석하고, 이미지를 생성하는 것 등을 수행하게 하는 코드를 포함할 수 있다. 대안적으로, 애플리케이션이 하드웨어-기반 디바이스 상에서 구현될 수 있다. 예컨대, 애플리케이션은 합성 개구 컴퓨팅 디바이스로 하여금, 신호를 필터링하고, 신호를 증폭하고, 신호를 지연시키게 할 수 있는 디지털 회로(들) 또는 아날로그 회로(들)를 포함할 수 있다.
도 11은 각각의 초음파 이미지 프레임을 생성하도록 순차적인 스캔 라인 단위로 구성된 혼합 어레이를 사용하여 합성 개구 이미징을 수행하는 예시적인 방법의 흐름도이다. 합성 개구 이미징 시스템은 새로운 스캔 라인을 개시하기 위한 표시 신호를 수신한 이후에, 합성 개구 이미징을 수행하기 시작할 수 있다. 그 후, 합성 개구 이미징 시스템은 제1 유형(예컨대, PZT 트랜스듀서(들))의 하나 이상의 어레이 요소를 포함하는 송신 개구(들)를 선택할 수 있다. 그 후, 합성 개구 이미징 시스템은 제1 유형의 선택된 어레이 요소에 송신 빔 형성기(가령, 도 2에 대해 도시되고 설명된 바와 같은 송신 빔 형성기(146))의 송신 채널을 연결할 수 있다. 그 후, 합성 개구 이미징 시스템은 제2 유형(예컨대, 광학 센서(들))의 하나 이상의 어레이 요소를 포함하는 수신 개구(들)를 선택한다. 일부 변형에서, 수신 개구(들)는 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소를 더 포함할 수 있다. 일반적으로, 적어도 세 개의 가능한 유형의 수신 개구: 제1 유형의 단독 어레이 요소를 갖는 수신 개구, 제2 유형의 단독 어레이 요소를 갖는 수신 개구, 또는 제1 유형 및 제2 유형의 혼합 어레이 요소를 갖는 수신 개구가 있기 때문에, 수신 개구의 선택은 송신 개구의 선택보다 더 복잡할 수 있다.
일단 송신 및 수신 개구가 선택되고 시스템 채널에 연결되면, 합성 개구 이미징 시스템의 프론트-엔드(가령, 도 1에 대해 도시되고 설명된 프론트-엔드(140))는 전기 신호를 전송하여, 송신 개구의 어레이 요소를 여기시키고, 음향 신호(예를 들어, 펄스)를 생성하고 이미징의 타겟을 향해 음향 신호를 송신한다. 그 후, 수신 개구는 이들 음향 신호에 응답하여 음향 에코를 수신하고, 음향 에코에 대응하는 신호(예컨대, 전기 신호)를 생성하고, 프론트-엔드의 수신 빔 형성기로 신호를 송신한다. 합성 개구 이미징 시스템이 동일한 송신 개구에 대해 하나보다 많은 수신 개구를 포함하는 경우, 추가적인 음향 에코를 획득하기 위해 다음 수신 개구(들)가 선택될 것이다. 모든 수신 개구가 적어도 한 번 선택되고 대응하는 신호가 취득될 때, 수신 빔 형성기는 모든 수신 개구로부터 생성된 신호를 합성할 수 있다(예컨대, 일관성 있게 결합하거나, 위상 정합하거나, 주파수 정합하거나, 진폭 정합하거나, 합산하는 것 등을 할 수 있다). 이어서, 시스템은 각각의 송신 개구에 대해 수신 개구의 모두를 통해 순환을 반복할 수 있다. 모든 송신 개구가 적어도 한 번 선택될 때, 합성 개구 이미징 시스템은 모든 수신 개구 및 송신 개구를 포함하는 완전히 합성된 개구를 생성하기 위해, 모든 송신 개구로부터 생성된 신호를 합성할 것이다. 위에서 설명된 프로세스는 초음파 이미징의 각각의 프레임에 대해 다수의 스캔 라인에 대해 수행될 수 있다. 그 후, 합성 개구 이미징 시스템은 메모리에 각각의 프레임을 저장할 수 있거나, 및/또는 합성 이미지 시스템에 포함되거나 또는 동작 가능하게 결합된 디스플레이 상에 프레임을 송신할 수 있다. 위에서 설명된 프로세스는 초음파 이미징의 다수의 프레임에 대해 수행될 수 있다.
도 12는 다수의 스캔 라인으로부터 각각의 초음파 이미지 프레임을 병렬 처리로 생성하도록 구성된 혼합 어레이를 사용하여 합성 개구 이미징을 수행하는 예시적인 방법의 흐름도이다. 합성 개구 이미징 시스템은 새로운 프레임을 개시하라는 표시 신호를 수신한 이후에, 합성 개구 이미징을 수행하기 시작할 수 있다. 그 후, 합성 개구 이미징 시스템은 완전한 프레임의 제1 서브-프레임을 선택할 수 있다. 서브-프레임은 예컨대, 완전한 이미지 프레임을 형성하는 스캔 라인의 서브세트(예컨대, 32개의 스캔 라인)를 포함할 수 있다. 그 후, 합성 개구 이미징 시스템은 송신 개구, 수신 개구 및 조향 각도를 선택할 수 있다. 선택된 수신 개구는 제1 유형의 어레이 요소만으로, 제2 유형의 어레이 요소만으로, 또는 제1 유형 및 제2 유형의 혼합 어레이 요소로 이루어질 수 있다. 서브-프레임 및 조향 각도에 대한 적절한 송신 및 수신 개구가 선택되고 시스템 채널에 연결되면, 합성 개구 이미징 시스템의 프론트-엔드(가령, 도 1에 대해 도시되고 설명된 프론트-엔드(140))는 전기 펄스를 전송하여, 송신 개구의 어레이 요소를 여기시키고, 음향 신호(예컨대, 펄스)를 생성하고 선택된 송신 개구(들)를 통해 이미징의 타겟을 향해 음향 신호를 송신한다. 그 후, 선택된 수신 개구(들)는 이들 음향 신호에 응답하여 음향 에코를 수신하고, 음향 에코에 대응하는 신호(예컨대, 전기 신호 및 광학 신호)를 생성하고, 프론트-엔드의 수신 빔 형성기로 신호를 송신한다.
합성 개구 이미징 시스템이 서브-프레임에 대한 다수의 송신 각도를 선택하도록 요구되는 경우, 추가적인 음향 에코를 획득하기 위해 추가적인 조향 각도가 선택될 수 있고, 서브-프레임에 대한 각각의 추가적인 조향 각도에 대해 위에서 설명된 프로세스가 반복될 수 있다. 서브-프레임에 대한 모든 조향 각도가 적어도 한 번 선택되고 해당 신호가 취득될 때, 수신 빔 형성기는 서브-프레임에 대한 모든 조향 각도로부터 생성된 신호를 일관성 있게 합성할 수 있다(예컨대, 일관성 있게 결합, 위상 정합, 주파수 정합, 진폭 정합, 합산 등을 할 수 있다). 이어서, 시스템은 각각의 서브-프레임에 대한 조향 각도 모두를 통해 순환을 반복할 수 있다. 모든 서브-프레임이 적어도 한 번 선택될 때, 합성 개구 이미징 시스템은 완전한 프레임을 생성하기 위해 모든 서브-프레임으로부터 생성된 신호를 합성할 수 있다(예컨대, 일관성 있게 결합, 위상 정합, 주파수 정합, 진폭 정합, 합산 등을 할 수 있다). 그 후, 합성 개구 이미징 시스템은 메모리에 프레임을 저장할 수 있거나, 및/또는 합성 개구 이미징 시스템에 포함되거나 또는 동작 가능하게 결합된 디스플레이로 프레임을 송신할 수 있다. 위에서 설명된 프로세스는 초음파 이미징의 다수의 프레임에 대해 수행될 수 있다.
도 13은 이미징을 위해 동작하도록 의도된 송신 요소당 다수의 수신 개구(예컨대, PZT 트랜스듀서와 같은 제1 유형의 트랜스듀서 또는 다른 유형의 트랜스듀서)로부터 각각의 초음파 이미지 프레임을 생성하도록 구성된 혼합 어레이를 사용하여 합성 개구 이미징을 수행하는 예시적인 방법의 흐름도이다. 합성 개구 이미징 시스템은 새로운 프레임을 개시하라는 표시 신호를 수신한 이후에, 합성 개구 이미징을 수행하기 시작할 수 있다. 그 후, 합성 개구 이미징 시스템은 송신 빔 형성기(가령, 도 2에 대해 도시되고 설명된 송신 빔 형성기(146))의 송신 채널을 제2 송신 요소에 연결함으로써 제1 송신 요소를 선택할 수 있다. 제1 송신 요소는 음향 신호를 생성할 수 있는 제1 유형의 어레이 요소이다. 그 후, 합성 개구 이미징 시스템은 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소를 포함하고 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소를 더 포함할 수 있는 수신 개구(들)를 선택한다. 세 개의 가능한 유형의 수신 개구: 제1 유형의 어레이 요소만을 갖는 수신 개구, 제2 유형의 어레이 요소만을 갖는 수신 개구, 또는 제1 유형 및 제2 유형 모두의 어레이 요소를 갖는 수신 개구가 있다.
일단 송신 요소 및 수신 개구가 선택되고 시스템 채널에 연결되면, 프론트-엔드는 전기 신호를 송신하여, 송신 요소를 여기시키고 음향 신호를 생성하고 이미징의 타겟을 향해 음향 신호를 송신한다. 그 후, 수신 개구는 이들 음향 신호에 응답하여 음향 에코를 수신하고, 음향 에코에 대응하는 신호를 생성하며 프론트-엔드의 수신 빔 형성기로 신호를 송신한다. 합성 개구 이미징 시스템이 동일한 송신 요소에 대해 하나보다 많은 수신 개구를 포함하는 경우, 해당 송신 요소로부터의 송신과 연관된 추가적인 음향 에코를 획득하기 위해 추가적인 수신 개구가 선택될 것이다. 모든 수신 개구가 적어도 한 번 선택되고 대응하는 신호가 취득될 때, 수신 빔 형성기는 해당 송신 요소에 대한 모든 수신 개구로부터 생성된 신호를 합성할 수 있다(예컨대, 일관성 있게 결합, 위상 정합, 주파수 정합, 진폭 정합, 합산 등을 할 수 있다). 이어서, 시스템은 이미징에 사용되는 송신 요소 모두를 통해 순환을 반복할 수 있다. 모든 송신 요소가 선택될 때, 합성 개구 이미징 시스템은 모든 송신 요소를 합성하여, 단일 프레임 또는 다중 프레임을 생성하기 위해 합성된 개구를 생성할 수 있다. 그 후, 합성 개구 이미징 시스템은 메모리에 프레임(들)을 저장할 수 있거나 및/또는 합성 이미지 시스템에 포함되거나 동작 가능하게 결합된 디스플레이로 프레임(들)을 송신할 수 있다. 위에서 설명된 프로세스는 환자의 연속적인 스캐닝을 위해 수행될 수 있다.
도 14는 일부 변형에 따라 혼합 어레이를 사용하여 획득된 음향 데이터를 합성하는 예시적인 방법의 블록도이다. 본원에서 설명된 바와 같이, 혼합 어레이는 제1 유형(예컨대, 비-광학 트랜스듀서)의 하나 이상의 어레이 요소 및 제2 유형(예컨대, WGM 광학 공진기와 같은 광학 센서)의 하나 이상의 어레이 요소를 포함한다. 따라서, 혼합 어레이는 광학 신호 및 비-광학 신호를 생성한다. 광학 센서 신호 및 비-광학 센서 신호는 상이한 신호 경로를 가질 수 있다. 광학 센서 및 비-광학 센서 각각은 혼합 어레이에서 상이한 물리적인 위치를 갖고, 광학 공진기는 일반적으로 비-광학 센서와 비교하여 상이한 주파수 응답, 감도 및 진폭을 갖는다. 결과로서, 광학 센서 신호 및 비-광학 센서 신호가 수신 빔 형성기에 의해 효과적으로 결합될 수 있기 전에, 광학 공진기로부터의 신호는 상이한 필터(예컨대, 저역 통과 필터, 대역 통과 필터, 고역 통과 필터, 디지털 필터 등), 증폭기(예컨대, 디지털 증폭기), 및/또는 비-광학 센서로부터의 신호에 대한 그의 차이를 보상하기 위한 위상 지연을 통한 처리를 요구할 수 있다.
예컨대, 도 14에 도시된 바와 같이, 상이한 대역 통과 필터는 세부적 해상도(detail resolution) 및 신호 대 잡음비(SNR)를 개선하기 위해 수신된 광학 센서 신호 및 비-광학 센서 신호의 파형을 성형할 수 있다. (예컨대, 광학 센서 신호 및 비 광학 센서 신호가 주파수 면에서 정합하도록) 적어도 하나의 광학 센서 대역 통과 필터는 수신된 광학 센서 신호를 성형하는 데 사용될 수 있고, 적어도 하나의 비-광학 대역 통과 필터는 수신된 비-광학 센서 신호를 성형하는 데 사용될 수 있다. 광학 센서 대역 통과 필터 및 비-광학 대역 통과 필터는 광학 공진기 및 비-광학 센서의 주파수 응답의 차이를 설명하기 위해 상이한 특성을 가질 수 있다. 초음파 신호는 연조직에 전파되기 때문에, 초음파 신호의 파형 또는 스펙트럼 형태는 침투 깊이에 따라 변형될 수 있다. 파형 및 스펙트럼 형태의 이러한 변형을 고려하기 위해, 합성 개구 이미징 시스템은 침투 깊이, 파형 및/또는 스펙트럼 형태를 기초로 필터를 선택할 수 있다.
덧붙여, 상이한 증폭기는 또한, 최소 또는 거의 최소 사이드 로브(side lobes)로 최적 또는 거의 최적인 빔 패턴을 생성하기 위해, 수신된 광학 센서 신호 및 비-광학 센서 신호에 이득 값 및/또는 아포다이제이션 프로파일을 제공할 수 있다. 예컨대, (예컨대, 광학 센서 신호 및 비-광학 센서 신호가 진폭 면에서 정합하도록) 적어도 하나의 광학 센서 디지털 증폭기는 광학 센서 신호와 연관된 적합한 이득 및/또는 아포다이제이션 프로파일을 제공하는 데 사용될 수 있고, 적어도 하나의 비-광학 디지털 증폭기는 비-광학 센서 신호와 연관된 적합한 이득 및/또는 아포다이제이션 프로파일을 제공하는 데 사용될 수 있다. 광학 센서 디지털 증폭기에 의해 제공되는 이득 및/또는 아포다이제이션 프로파일은 광학 공진기 및 비-광학 센서의 상이한 감도를 설명하기 위해 비-광학 디지털 증폭기에 의해 적용되는 것과 상이할 수 있다. 이득 및/또는 아포다이제이션 프로파일은 합성 개구 이미징 시스템의 메모리에 저장된 미리 설정된 및/또는 미리 결정된 값을 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 합성 개구 이미징 시스템은 이득 및/또는 아포다이제이션 프로파일을 동적으로 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 경우에서, 증폭기의 이득 및/또는 아포다이제이션 프로파일은 상수일 수 있거나, 또는 깊이의 함수로서 가변적일 수 있다.
덧붙여, 광학 공진기 및/또는 비-광학 센서 간의 위치들 및/또는 위치 차이를 기초로 광학 센서 신호 및 비-광학 센서 신호에 상이한 위상 지연이 적용될 수 있다. (예컨대, 광학 센서 신호 및 비-광학 센서 신호가 위상 면에서 정합하도록) 광학 센서 지연 유닛은 광학 센서 신호에 적합한 위상 지연을 적용할 수 있고, 비-광학 지연 유닛은 비-광학 센서 신호에 적합한 위상 지연을 적용할 수 있다. 광학 센서 지연 유닛 및 비-광학 지연 유닛에 의해 적용되는 위상 지연은 광학 공진기 및 비-광학 센서의 상이한 위치를 설명하기 위해 상이할 수 있다. 위상 지연은 메모리에 저장된 미리 설정된/미리 결정된 값을 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 합성 개구 이미징 시스템은 위상 지연(예컨대, 위상 지연 프로파일)을 동적으로 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 경우에서, 위상 지연은 또한 다른 인자를 설명할 수 있다. 예컨대, 위상 지연은 공칭 또는 알려진 음향 렌즈 두께를 기초로 저장된 지연 값, 및/또는 음향 렌즈 및/또는 매체의 위상 수차 및/또는 다른 결함을 검출하도록 구성된 적응 시스템을 사용하여 결정된 동적 저장된 지연 값을 통합할 수 있다. 렌즈 옆에, 광학 센서 및 비-광학 트랜스듀서 모두는 센서 표면과 환자 신체 사이에 다른 층(예컨대, 정합 층, 코팅 층 등)을 포함할 수 있다. 두께 고려에 부가하여, 음향 속도는 합성 개구 빔 형성을 위한 최종 지연 프로파일(들)을 결정하는 데 있어서 다른 매개변수일 수 있다.
수신된 광학 센서 신호 및 비-광학 센서 신호를 처리하기 위해 위에서 설명된 바와 같이 필터, 증폭기 및 위상 지연의 적용 이후에, 광학 센서 신호 및 비-광학 센서 신호가 결합되고 수신 빔 형성기로 전달되어 이미지를 형성할 수 있다. 일부 변형에서, 광학 센서 신호 및 비-광학 센서 신호의 조합은 일관된 조합일 수 있다.
도 14가 신호 처리의 특정 시퀀스(필터링, 그 후 증폭, 그 후 위상 지연을 적용)를 도시하지만, 일부 변형에서 위에서 설명된 신호 처리 단계는 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 도 15는 일부 변형에 따라 혼합 어레이를 사용하여 획득된 음향 데이터를 합성하는 예시적인 방법의 블록도이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 필터링 및 증폭 이후에 광학 센서 신호 및 비-광학 센서 신호에 위상 지연을 적용하는 대신에, 합성 개구 이미징 시스템은 위상 지연을 먼저 적용하고, 이에 후속하여 증폭 및 이어서 필터링을 할 수 있다. 다른 예로서, 일부 변형에서, 광학 센서 신호 및 비-광학 센서 신호는 위상 지연을 적용하고, 이어서 필터링을 수행하고, 이어서 증폭을 수행함으로써 처리될 수 있다. 즉, 광학 센서 신호를 혼합 어레이로부터의 비-광학 센서 신호와 합성하는 것은 필터링, 증폭 및 위상 지연을 적용하는 것의 임의의 순열을 포함할 수 있다.
도 16은 일부 변형에 따라 혼합 어레이를 사용하여 획득된 음향 데이터를 합성하는 예시적인 방법의 블록도이다. 합성 개구 이미징 시스템은 수신된 광학 센서 신호 모두를 위상 정합하기 위해 (예컨대, 각각의 광학 센서 신호에 대해) 다수의 개개의 광학 센서 지연 유닛을 사용하여 광학 센서 신호에 제1 위상 지연의 세트를 적용하도록 구성될 수 있다. 그 후, 결과적인 위상 정합된 광학 센서 신호는 함께 결합될 수 있다. 유사하게, 합성 개구 이미징 시스템은, 수신된 비-광학 센서 신호 모두를 위상 정합하기 위해, (예컨대, 각각의 비-광학 신호에 대해) 다수의 개개의 비-광학 지연 유닛을 사용하여 비-광학 센서 신호에 제2 위상 지연의 세트를 적용하도록 구성될 수 있다. 그 후, 결과적인 위상 정합된 비-광학 센서 신호는 함께 결합될 수 있다. 합성 개구 이미징 시스템은 도 14에 대해 위에서 설명된 것과 유사하게, 결합된 광학 센서 신호 및 결합된 비-광학 센서 신호의 각각에 증폭기(들) 및 필터(들)를 추가로 적용하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 도 16에 도시된 바와 같이, 결합된 광학 센서 신호 및 결합된 비-광학 센서 신호가 진폭 및 주파수 응답 정합하도록, 결합된 광학 센서 신호는 적어도 하나의 광학 센서 디지털 증폭기 및 적어도 하나의 광학 센서 대역 통과 필터로 (어느 순서든) 추가로 처리될 수 있고, 결합된 비-광학 센서 신호는 적어도 하나의 비-광학 디지털 증폭기 및 적어도 하나의 비-광학 대역 통과 필터로 (어느 순서든) 더 처리될 수 있다. 위상 정합된, 진폭 정합된, 및/또는 주파수 정합된 광학 센서 신호 및 비-광학 센서 신호는 이미지를 형성하기 위해 결합되고 수신 빔 형성기로 전달될 수 있다. 도 14 및 도 15에 대해 도시되고 설명된 변형과 비교하여, 도 16의 변형은 합성 개구 이미징 시스템에 사용되는 필터 및 증폭기의 수를 감소시키고, 그로 인해 제조 비용을 감소시키는 것 등의 이점을 가질 수 있다.
도 17은 일부 변형에 따라 혼합 어레이를 사용하여 획득된 음향 데이터를 합성하는 예시적인 방법의 블록도이다. 합성 개구 이미징 시스템은 (도 5에 대해 도시되고 설명된 1.5D 어레이와 같은) 내부 서브-요소 및 두 개의 외부 서브-요소를 포함하는 단일 요소를 합성하도록 구성될 수 있다. 두 개의 외부 서브-요소는 동일한 크기를 가질 수 있으며, 내부 서브-요소의 각각의 측면에 위치될 수 있다. 따라서, 두 개의 외부 서브-요소로부터 발생하는 신호는 이들 신호에 (상하 포커싱에 대한) 지연을 적용하기 전에 함께 결합될 수 있다(예컨대, 합산될 수 있다). 두 개의 외부 요소로부터의 신호를 결합한 이후에, 위상 지연, 증폭기 및/또는 필터는 임의의 적합한 순서로 결합된 신호에 적용될 수 있다. 추가적으로, 내부 서브-요소로부터 발생하는 신호는 별도로 증폭되고 필터링되며, 최종적으로 두 개의 외부 서브-요소의 결합된 신호와 결합될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이 일단 각각의 요소에 대한 내부 서브-요소 및 외부 서브-요소가 합성되면, 1.5D 어레이 또는 2D 어레이는 빔 형성을 위해 1D 선형 배열로 단순화될 수 있다. 결과로서, 위상 지연 프로세스의 수가 상당히 감소될 수 있다. 도 17이 세 개의 서브-요소(하나의 내부 서브-요소 및 두 개의 외부 서브-요소)를 도시하지만, 위에서 설명된 프로세스는 3개보다 많은 서브-요소를 포함하는 시스템에 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예컨대, 일부 경우에서, 위에서 설명된 프로세스가 두 개 또는 세 개보다 많은 서브-요소를 갖는 1.5D 어레이에 적용될 수 있다. 예컨대, 요소는 다섯 개의 서브-요소, 일곱 개의 서브-요소 등을 포함할 수 있다.
일부 변형에서, 도 17에 대해 설명된 접근법은 또한, 하나보다 많은 요소로 확장될 수 있다. 예컨대, 1.5D 어레이의 두 개의 인접한 요소는 피치가 두 개의 인접한 요소에 대한 피치의 합과 동일한 단일 요소로 간주되도록 합성될 수 있다. 이러한 접근법에 의해 생성된 결과적인 1D 어레이는 원래 수의 절반의 요소만을 갖는다. 더욱 일반적으로, n개의 인접한 요소는 더 큰 요소를 형성하기 위해 합성될 수 있고, 따라서 합성 개구에 대한 유효 요소의 수를 n배 - n은 1보다 큰 정수임 - 만큼 감소시킬 수 있다.
일부 변형에서, 측면 빔 형성 이전에 상하 빔 형성이 수행된다. 하지만, 일부 변형에서, 빔 형성의 순서가 반전될 수 있다. 즉, 측면 빔 형성은 상하 빔 형성 전에 수행될 수 있다.
예
도 18은 혼합 어레이에서 두 개의 유형의 센서에 의해 생성된 예시적인 신호를 도시한다. 좌측 상단 도면("비-광학 센서 에코 신호")은 시간 도메인에서 비-광학 센서에 의해 생성된 신호를 도시하고, 좌측 하단 도면("광학 센서 에코 신호")은 시간 도메인에서 광학 공진기에 의해 생성된 신호를 도시한다. 우측 상단 도면("비-광학 센서 에코 신호의 스펙트럼")은 주파수 도메인에서 비-광학 센서에 의해 생성된 신호를 도시하고, 우측 하단 도면("광학 센서 에코 신호의 스펙트럼")은 주파수 도메인에서 광학 공진기에 의해 생성된 신호를 도시한다. 도시된 바와 같이, 광학 공진기에 의해 생성된 신호는 비-광학 센서에 의해 생성된 신호에 비해 진폭, 주파수, 위상 및 잡음 레벨 면에서 상이하다. 진폭, 주파수, 위상 및 잡음 레벨의 이러한 변형은 신호에 도 14-17에 대해 위에서 설명된 것과 같은 증폭기, 필터, 위상 지연 및 잡음 필터를 적용함으로써 보상될 수 있다.
도 19는 혼합 어레이에서 비-광학 센서 및 광학 공진기에 의해 생성된 신호의 예시적인 주파수 응답, 및 비-광학 센서 신호 및 광학 센서 신호를 합성할 때 각각의 주파수 응답에 적절한 대역 통과 필터 주파수 응답을 도시한다. 구체적으로, 파선은 주파수 도메인에서 센서에 의해 생성된 신호를 나타낸다(도 18에 도시된 것과 유사함). 추가적으로, 실선은 광학 공진기에서 생성된 신호(하단 도면) 및 비-광학 센서에 의해 생성된 신호(상단 도면)를 처리하도록 설계된 두 개의 버터워스 대역 통과 필터(Butterworth band-pass filters)의 주파수 응답을 도시한다. 도 19에 도시된 바와 같이, 광학 센서 대역 통과 필터 및 비-광학 대역 통과 필터는 각각의 비-광학 공진기 및 광학 공진기에 의해 생성된 개개의 스펙트럼 응답(파선)에 대응하는 상이한 중심 주파수 및 대역폭을 갖도록 결정된다. 예컨대, 도 19의 하단 플롯에 도시된 바와 같이, 광학 공진기의 스펙트럼은 최종 초음파 이미지의 세부 해상도를 저하시킬 수 있는 약 0 내지 약 4MHz 사이의 강한 저주파 성분을 갖는다. 따라서, 광학 센서 신호에 대한 대역 통과 필터는 이들 저주파 성분을 약 4MHz 미만으로 감쇠시키도록 설계되며, 그로 인해 이미징 목적을 위해 광학 센서 신호의 더 가치 있는 주파수 성분을 분리한다. 하지만, 비-광학 센서 신호를 처리할 때, 대역 통과 필터에 대한 이러한 4MHz 차단 주파수는 너무 높아서 3 내지 4MHz의 유용한 주파수 성분을 보존할 수 없다. 따라서, 비-광학 센서 신호에 대한 대역 통과 필터는 광학 공진기에 대한 대역 통과 필터의 차단 주파수보다 낮은 차단 주파수(예컨대, 약 3MHz)로 설계될 수 있다.
도 20은 예시적인 혼합 어레이 윈도우 및 그의 대응하는 빔플롯을 도시한다. 빔플롯은 이미징 평면의 특정 깊이의 1D 빔 패턴이다. 빔플롯은 보통, 중간의 메인 로브 및 메인 로브의 양 측면에 더 낮은 피크 값을 갖는 사이드 로브로 구성된다. 메인 로브의 폭은 초음파 이미지의 공간 해상도를 결정한다. 사이드 로브의 레벨은 콘트라스트 해상도를 결정할 수 있다. 일부 경우에서, 요소 피치가 너무 크거나 또는 요소 감도 프로파일이 주기적으로 고르지 않을 때, 격자 로브가 빔플롯 상에 나타날 수 있다. 격자 로브는 고스트 이미지를 포함하여 원하지 않는 이미지 아티팩트를 생성할 수 있다.
세 개의 개구 윈도우 함수 및 그의 대응하는 빔플롯이 도 20에 도시된다. 좌측 상단 도면("혼합 어레이 윈도우")은 도 8에 대해 도시되고 설명된 혼합 어레이 구성에 의해 생성된 윈도우 함수를 제시한다. 윈도우 함수(window function)의 불균일함은 혼합 어레이에서 광학 공진기와 비-광학 센서 간의 감도의 차이에 의해 유발된다. 우측 상단 도면("혼합된 어레이 빔플롯")에 도시된 바와 같이, 주기적으로 고르지 않은 윈도우는 약 -8.4dB 진폭을 갖는 두 개의 격자 로브를 생성한다. 중간 도면("교정된 혼합 어레이 윈도우" 및 "교정된 혼합 어레이 빔플롯")은 격자 로브가 두 개의 유형의 센서에 상이한 디지털 증폭 이득을 적용함으로써 극복될 수 있다는 것을 예시한다. 이러한 디지털 증폭 이득을 적용하는 것은 균일한 윈도우 함수를 생성할 수 있다. 두 개의 하단 도면("최적화된 혼합 어레이 윈도우" 및 "최적화된 혼합 어레이 빔플롯")에 도시된 바와 같이, 빔플롯의 사이드 로브를 감소시키기 위해 가우시안형 아포다이제이션 윈도우를 생성하는 데 유사한 접근법이 활용될 수 있다. 도 14-16에 제시된 모든 세 개의 빔 형성기 아키텍처가 균일한 윈도우 함수를 생성할 수 있다. 하지만, 일부 경우에서, 도 14 및 도 15의 빔 형성기 아키텍처만이 임의적인 윈도우 함수를 생성할 수 있다.
도 21은 혼합 어레이 및 그의 대응하는 빔플롯에 대한 예시적인 합성된 개구 윈도우를 도시한다. 세 개의 예시적인 합성 개구(synthetic aperture, SA) 윈도우 함수 및 그의 대응하는 빔플롯이 도시된다. 상단의 두 개의 도면은 양호한 빔 패턴을 생성하는 데 왜 두 개 이상의 서브-개구가 적절하게 합성되어야 하는지를 보여준다. 좌측 상단 픽처("부적절한 SA 윈도우")는 부적절하게 합성된 개구 윈도우 함수를 도시한다. 우측 상단의 빔플롯("부적절한 SA 빔플롯")은 합성된 개구 윈도우 함수의 두 서브-개구 사이의 간격으로 인해 생성된 상승된 사이드 로브를 도시한다. 가운데 두 개의 도면("종래의 SA 윈도우" 및 "종래의 SA 빔플롯")은 좌측 상단 픽처의 합성된 개구에 사용된 동일한 두 개의 서브-개구를 갖는 종래의 합성된 개구 및 대응하는 빔플롯을 도시한다. 사이드 로브는 우측 상단의 빔플롯의 것보다 상당히 감소된다. 사이드 로브는 두 개의 하단 도면에 도시된 바와 같이, 두 개의 중첩된 서브-개구를 합성함으로써 더 감소될 수 있다. 합성된 개구는 좌측 하단 픽처("중첩된 SA 윈도우")에 도시된 바와 같이 고르지 않은(rough) 아포다이제이션 윈도우를 갖는다. 오른쪽 하단 도면의 결과 빔플롯("중첩된 SA 빔플롯")은 중첩된 서브-개구에 기인하여 감소된 사이드 로브를 도시한다.
도 22는 균일한 어레이에 대한 예시적인 지연 프로파일 및 혼합 어레이에 대한 예시적인 지연 프로파일을 도시한다. 일부 변형에서, 음향파 및/또는 신호는 신호가 빔 형성기에 의해 합산되기 전에 상이한 신호 경로를 통해 이동할 수 있다. 예컨대, PZT 센서 요소의 경우, 음향파 및 대응하는 신호는 PZT 센서에 도달하기 전에 음향 렌즈 및 하나 이상의 정합 층을 통해 이동할 수 있다. 다른 한편으로, 광학 공진기에 대해, 음향파 및 대응하는 신호는 광학 공진기에 도달하기 전에 상이한 두께 및/또는 음향 속도를 갖는 상이한 음향 렌즈와, 상이한 두께 및/또는 음향 속도를 갖는 폴리머 층을 통해 이동할 수 있다. 신호 경로의 차이는 추가적인 지연을 초래할 수 있다. 이러한 추가적인 지연은 빔 형성에서 위상 오차를 도입하고, 결과적으로 세부적 해상도, 콘트라스트 해상도 및 신호 대 잡음비(SNR)를 포함하는 이미징 성능을 저하시킨다. 따라서, 두 개의 센서 채널 사이의 여분의 지연은 도 22에 도시되고 아래에서 더 설명되는 바와 같이 그에 따라 조정될 수 있다.
상단 플롯("균일한 어레이에 대한 지연 프로파일")은 동일한 센서의 64개의 요소를 갖는 개구에 대한 지연 프로파일을 도시한다. 하부 지연 프로파일("혼합 어레이에 대한 지연 프로파일")은 도 8에 대해 도시되고 설명된 혼합 어레이와 같은 두 개의 상이한 센서의 64개 요소를 갖는 개구에 대한 것이다. 두 개의 유형의 센서 사이의 신호 경로의 차이를 보상하기 위해 추가적인 고정 위상 지연이 비-광학 채널 또는 광학 공진기 채널 중 하나에 추가될 수 있다. 도시된 지연 프로파일은 송신 및 수신 빔 형성 모두에 사용될 수 있다.
혼합 어레이에 대한 합성 개구 이미징 방법 및 시스템이 초음파 이미징의 맥락에서 설명되었지만, 일부 변형에서, 합성 개구 이미징 방법 및 시스템은 초음파 이미징 이외의 응용에서 사용될 수 있다. 예컨대, 일부 경우에서, 합성 개구 이미징 방법 및 시스템이 계측, 신호 처리, 입자 물리학, 원격 감지, 항공 우주 응용 등에 사용될 수 있다.
설명의 목적을 위한 전술한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 명명법을 사용하였다. 하지만, 통상의 기술자에게는 본 발명을 실시하기 위해 특정 세부사항이 요구되지 않는다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 특정 실시예의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시된다. 이는 개시된 본 발명을 개시된 정확한 형태로 철저하게 하거나 제한하려는 것으로 의도되지 않고; 명백히, 위의 교시의 관점에서 다수의 수정 및 변형이 가능하다. 본 발명의 원리 및 그의 실제 응용을 설명하고, 이를 통해 통상의 기술자가 본 발명 및 고려되는 특정 용도에 적합한 다양한 수정을 갖는 다양한 실시예를 이용하게 하도록 실시예가 선택되고 설명되었다. 다음 청구범위 및 그의 등가물이 본 발명의 범위를 정의하는 것으로 의도된다.

Claims (64)

  1. 음향-광학 이미징의 방법으로서:
    센서 어레이의 제1 서브-개구로부터 제1 신호를 수신하는 단계 - 상기 제1 서브-개구는 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소를 포함함 - ;
    상기 센서 어레이의 제2 서브-개구로부터 제2 신호를 수신하는 단계 - 상기 제2 서브-개구는 상기 제1 유형과 상이한 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소를 포함하고, 상기 제2 유형은 광학 센서임 - ; 및
    상기 센서 어레이에 대한 합성된 개구를 형성하기 위해 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 결합하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 위상 정합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 위상 정합하는 단계는 상기 제1 신호에 제1 지연을 적용하거나, 또는 상기 제2 신호에 제2 지연을 적용하는 단계를 포함하고, 상기 제1 지연 및 상기 제2 지연은 상기 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소로부터 이미징되는 매체로의 제1 전파 시간과 상기 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소로부터 상기 매체로의 제2 전파 시간 사이의 차이에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되는, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 지연 또는 상기 제2 지연은 음향 렌즈의 두께 및 음향 속도, 또는 음향 정합 층의 두께 및 음향 속도, 또는 음향 렌즈 및 음향 정합 층 각각의 두께 및 음향 속도에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되는, 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 지연 또는 상기 제2 지연은 송신 초점 및/또는 수신 초점에 적어도 부분적으로 기초하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 신호의 잡음을 감소시키기 위해 상기 제1 신호를 필터링하는 단계 및 상기 제2 신호의 잡음을 감소시키기 위해 상기 제2 신호를 필터링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 진폭 정합하기 위해 증폭 이득만큼 상기 제1 신호 또는 상기 제2 신호를 증폭하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 증폭 이득은 미리 설정된 값인, 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 증폭 이득은 이미징 깊이에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되는, 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 주파수 정합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 제2항에 있어서, 상기 제1 신호는 상기 제1 유형의 복수의 어레이 요소로부터 발생하는 신호의 조합이거나, 또는 상기 제2 신호는 상기 제2 유형의 복수의 요소로부터 발생하는 신호의 조합이거나 또는 둘 모두인, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 위상 정합하는 단계 이전에,
    상기 제1 유형의 복수의 어레이 요소, 또는 상기 제1 유형 및 상기 제2 유형의 복수의 어레이 요소로부터 발생하는 신호를 결합함으로써 상기 제1 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제2 유형의 복수의 어레이 요소, 또는 상기 제1 유형 및 상기 제2 유형의 복수의 어레이 요소로부터 발생하는 신호를 결합함으로써 상기 제2 신호를 생성하는 단계 중 하나 이상을 더 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 유형, 상기 제2 유형, 또는 상기 제1 유형 및 상기 제2 유형 모두의 복수의 어레이 요소로부터 더 큰 유효 요소 어레이를 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 합성된 개구에서 어레이 요소의 유효 수를 감소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 합성된 개구의 유효 차원(effective dimensionality)을 감소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 센서 어레이는 1.5차원(1.5D) 어레이이고, 상기 방법은 상기 합성된 개구의 유효 차원을 1.5D로부터 1차원(1D)으로 감소시키는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 센서 어레이는 2차원(1.5D) 어레이이고, 상기 방법은 상기 합성된 개구의 유효 차원을 2D로부터 1.5차원(1.5D)으로 감소시키는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 주파수 정합하는 단계;
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 주파수 정합하는 단계 이후에, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 진폭 정합하는 단계; 및
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 주파수 정합하는 단계 및 진폭 정합하는 단계 이후에, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 위상 정합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 위상 정합하는 단계;
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 위상 정합하는 단계 이후에, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 진폭 정합하는 단계; 및
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 위상 정합하는 단계 및 진폭 정합하는 단계 이후에, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 주파수 정합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호의 조합은 일관된 조합(coherent combination)인, 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 광학 센서는 광학 공진기인, 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 광학 공진기는 위스퍼링 갤러리 모드(whispering gallery mode, WGM)) 광학 공진기인, 방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 광학 공진기는 마이크로버블 광학 공진기(microbubble optical resonator), 광자 집적 회로(photonic integrated circuit, PIC) 광학 공진기, 마이크로스피어 공진기(microsphere resonator), 마이크로-토로이드 공진기(micro-toroid resonator), 마이크로-링 공진기(micro-ring resonator), 또는 마이크로-디스크 광학 공진기(micro-disk opticalresonator)인, 방법.
  24. 제1항에 있어서, 상기 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer), 단결정 재료 트랜스듀서, 압전 미세가공된 초음파 트랜스듀서(piezoelectric micromachined ultrasound transducer, PMUT) 또는 용량성 미세가공된 초음파 트랜스듀서(capacitive micromachined ultrasonic transducer, CMUT)를 포함하는, 방법.
  25. 제1항에 있어서,
    음향 신호를 송신하기 위한 상기 제1 서브-개구를 선택하는 단계; 및
    상기 음향 신호에 응답하여, 음향 에코(acoustic echoes)를 수신하기 위한 상기 제1 서브-개구 또는 상기 제2 서브-개구를 선택하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소로부터, 음향 신호를 송신하기 위한 요소를 선택하는 단계; 및
    상기 음향 신호에 응답하여, 음향 에코를 수신하기 위한 상기 제1 서브-개구 또는 상기 제2 서브-개구를 선택하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  27. 제1항에 있어서,
    음향 신호를 송신하기 위한 각도를 선택하는 단계;
    상기 음향 신호를 송신하는 단계; 및
    상기 음향 신호에 응답하여 음향 에코를 수신하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  28. 제1항에 있어서, 상기 광학 센서는 폴리머 구조에 내장되는, 방법.
  29. 타겟을 이미징하기 위한 장치로서,
    제1 서브-개구를 형성하는 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소;
    제2 서브-개구를 형성하는, 상기 제1 유형과 상이한 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소 - 상기 제2 유형은 광학 센서이고, 상기 제1 서브-개구는 제1 위상을 갖는 제1 신호를 수신하고, 상기 제2 서브-개구는 제2 위상을 갖는 제2 신호를 수신함 - ; 및
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 결합함으로써 합성된 개구를 적어도 부분적으로 생성하도록 구성된 프론트-엔드(front-end)를 포함하는, 장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 프론트-엔드는 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 위상 정합함으로써 상기 합성된 개구를 생성하도록 추가로 구성되는, 장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 위상 정합하는 것은 상기 제1 신호에 제1 지연을 적용하거나, 또는 상기 제2 신호에 제2 지연을 적용하는 것을 포함하고, 상기 제1 지연 및 상기 제2 지연은 상기 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소로부터 이미징되는 매체로의 제1 전파 시간과 상기 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소로부터 상기 매체로의 제2 전파 시간 사이의 차이에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되는, 장치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 제1 지연 또는 상기 제2 지연은 음향 렌즈의 두께 및 음향 속도, 또는 음향 정합 층의 두께 및 음향 속도, 또는 음향 렌즈 및 음향 정합 층 각각의 두께 및 음향 속도에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되는, 장치.
  33. 제31항에 있어서, 상기 제1 지연 및 상기 제2 지연은 송신 초점 및 수신 초점에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되는, 장치.
  34. 제29항에 있어서, 상기 프론트-엔드는 상기 제1 신호의 잡음을 감소시키기 위해 상기 제1 신호를 필터링하고, 상기 제2 신호의 잡음을 감소시키기 위해 상기 제2 신호를 필터링함으로써 상기 합성된 개구를 생성하도록 추가로 구성되는, 장치.
  35. 제29항에 있어서, 상기 프론트-엔드는 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 진폭 정합하기 위해 증폭 이득만큼 상기 제1 신호 또는 상기 제2 신호를 증폭함으로써 상기 합성된 개구를 생성하도록 추가로 구성되는, 장치.
  36. 제35항에 있어서, 상기 증폭 이득은 미리 설정된 값인, 장치.
  37. 제35항에 있어서, 상기 증폭 이득은 이미징 깊이에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되는, 장치.
  38. 제29항에 있어서, 상기 프론트-엔드는 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 주파수 정합함으로써 상기 합성된 개구를 생성하도록 추가로 구성되는, 장치.
  39. 제29항에 있어서, 상기 제1 신호는 상기 제1 유형의 복수의 어레이 요소로부터 발생하는 신호의 조합이거나, 또는 상기 제2 신호는 상기 제2 유형의 복수의 요소로부터 발생하는 신호의 조합인, 장치.
  40. 제29항에 있어서, 상기 프론트-엔드는:
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 주파수 정합하는 것;
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 주파수 정합하는 것 이후에, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 진폭 정합하는 것; 및
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 주파수 정합하는 것 및 진폭 정합하는 것 이후에, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 위상 정합하는 것을 함으로써, 상기 합성된 개구를 생성하도록 추가로 구성되는, 장치.
  41. 제29항에 있어서, 상기 프론트-엔드는:
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 위상 정합하는 것;
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 위상 정합하는 것 이후에, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 진폭 정합하는 것; 및
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 위상 정합하는 것 및 진폭 정합하는 것 이후에, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 주파수 정합하는 것을 함으로써, 상기 합성된 개구를 생성하도록 추가로 구성되는, 장치.
  42. 제29항에 있어서, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호의 조합은 일관된 조합인, 장치.
  43. 제29항에 있어서, 상기 광학 센서는 광학 공진기인, 장치.
  44. 제43항에 있어서, 상기 광학 공진기는 위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 광학 공진기인, 장치.
  45. 제43항에 있어서, 상기 광학 공진기는 마이크로버블 광학 공진기, 광자 집적 회로(PIC) 광학 공진기, 마이크로스피어 공진기, 마이크로-토로이드 공진기, 마이크로-링 공진기, 또는 마이크로-디스크 광학 공진기인, 장치.
  46. 제43항에 있어서, 상기 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 압전 트랜스듀서, 단결정 재료 트랜스듀서, 압전 미세가공된 초음파 트랜스듀서(PMUT) 또는 용량성 미세가공된 초음파 트랜스듀서(CMUT)를 포함하는, 장치.
  47. 제29항에 있어서, 상기 프론트-엔드는:
    음향 신호를 송신하기 위한 상기 제1 서브-개구를 선택하는 것; 및
    상기 음향 신호에 응답하여, 음향 에코를 수신하기 위한 상기 제1 서브-개구 또는 상기 제2 서브-개구를 선택하는 것을 함으로써, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 결합하도록 추가로 구성되는, 장치.
  48. 제29항에 있어서, 상기 프론트-엔드는:
    상기 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소로부터, 음향 신호를 송신하기 위한 요소를 선택하는 것; 및
    상기 음향 신호에 응답하여, 음향 에코를 수신하기 위한 상기 제1 서브-개구 또는 상기 제2 서브-개구를 선택하는 것을 함으로써, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 결합하도록 추가로 구성되는, 장치.
  49. 제29항에 있어서, 상기 프론트-엔드는:
    음향 신호를 송신하기 위한 각도를 선택하는 것;
    상기 음향 신호를 송신하는 것; 및
    상기 음향 신호에 응답하여 음향 에코를 수신하는 것을 함으로써, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 결합하도록 추가로 구성되는, 장치.
  50. 제29항에 있어서, 상기 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소 및 상기 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 상하 차원(elevation dimension)에서 하나 이상의 행(row)을 포함하는, 장치.
  51. 제50항에 있어서, 상기 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소 및 상기 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 상기 제1 유형의 적어도 하나의 어레이 요소 및 상기 제2 유형의 적어도 하나의 어레이 요소를 포함하는 적어도 하나의 행을 포함하는, 장치.
  52. 제29항에 있어서, 상기 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소 및 상기 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 1차원(1D) 어레이에 있는, 장치.
  53. 제29항에 있어서, 상기 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소 및 상기 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 1.25차원(1.25D) 어레이에 있는, 장치.
  54. 제53항에 있어서, 상기 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소 및 상기 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 어레이로 배열되고, 상기 어레이는 제1 수의 어레이 요소를 갖는 제1 행 및 제2 수의 어레이 요소를 갖는 제2 행을 포함하는, 장치.
  55. 제54항에 있어서, 상기 제1 행의 어레이 요소의 제1 수는 상기 제2 행의 어레이 요소의 제2 수와 동일한, 장치.
  56. 제54항에 있어서, 상기 제1 행의 어레이 요소의 제1 수는 상기 제2 행의 어레이 요소의 제2 수와 상이한, 장치.
  57. 제29항에 있어서, 상기 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소 및 상기 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 1.5차원(1.5D) 어레이에 있는, 장치.
  58. 제57항에 있어서, 상기 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소 및 상기 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 어레이로 배열되고, 상기 어레이는 제1 수의 어레이 요소를 갖는 제1 행 및 제2 수의 어레이 요소를 갖는 제2 행을 포함하는, 장치.
  59. 제58항에 있어서, 상기 제1 행의 어레이 요소의 제1 수는 상기 제2 행의 어레이 요소의 제2 수와 동일한, 장치.
  60. 제58항에 있어서, 상기 제1 행의 어레이 요소의 제1 수는 상기 제2 행의 어레이 요소의 제2 수와 상이한, 장치.
  61. 제29항에 있어서, 상기 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소 및 상기 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 1.75차원(1.75D) 어레이에 있는, 장치.
  62. 제29항에 있어서, 상기 제1 유형의 하나 이상의 어레이 요소 및 상기 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 2차원(2D) 어레이에 있는, 장치.
  63. 제29항에 있어서, 상기 제2 유형의 하나 이상의 어레이 요소는 폴리머 구조에 내장된 하나 이상의 광학 센서를 포함하는, 장치.
  64. 제29항에 있어서, 상기 광학 센서는 광 검출기로 광학 신호의 세트를 송신하기 위해 광섬유에 광학적으로 결합된, 장치.
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