KR0178095B1 - 초음파 칼라 도플러 영상시스템을 위한 필터링방법 - Google Patents

초음파 칼라 도플러 영상시스템을 위한 필터링방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 칼라 도플러 영상 시스템(Ultrasound Color Doppler Imaging System; UCDI System)에 관한 것으로, 특히 초음파영상으로부터 클러터(Clutter)신호를 제거하기 위한 필터링(Filtering)방법에 관한 것이다. MTI의 원리를 응용한 변형된 무한충격응답필터(IIR Filter)는 종래 일반적인 IIR필터에서 보여지는 바람직스럽지 못한 과도현상을 충분히 억제할 수 있을 뿐만 아니라 종래 IIR필터의 특성곡선에서 볼 수 있는 급경사의 특성곡선을 작은 차수로 구현할 수 있다. 따라서, 영상시스템의 프레임율을 개선할 수 있고, 실시간처리가 가능하다. 그러나, 이러한 필터에서 출력되는 최초 3개의 신호는 필터의 특성을 정확히 나타낼 수 없는 신호들이다. 따라서, 본 발명은 필터특성에 부정확한 요인이 되는 최초 3개의 데이타를 필터 처리에서 제외시키므로써 변형된 IIR필터의 구현에 정확성을 기할 수 있는 효과를 가져온다.

Description

초음파 칼라 도플러 영상 시스템을 위한 필터링방법
제1도는 초음파 도플러 영상 시스템을 위한 종래의 무한충격응답(IIR) 필터를 나타낸 구성도.
제2도는 제1도의 필터를 변형한 본 발명에 따른 무한충격응답(IIR)필터를 나타낸 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 28, 30 : 가산기 12, 18 : 메모리레지스터
14, 16, 20, 22, 26 : 계수곱셈기
본 발명은 초음파 칼라 도플러 영상(Ultrasonic Color Doppler Imaging; UCDI) 시스템에 관한 것으로, 특히 초음파 영상으로부터 저주파도플러신호를 제거하기 위한 필터링(Filtering)방법에 관한 것이다.
근래 들어 초음파를 이용한 진단 장치가 일반 의료분야에서 널리 사용되고 있다. 초음파 진단 장치는 초음파가 생체조직을 통과할 때 일어나는 반사, 산란, 및 흡수등의 결과를 이용한다. 산란된 신호는 산란이 일어나는 경계에서의 음향임피던스차이정보 또는 산란체의 운동속도정보가 포함되어 있다. 실제로 수신되는 신호의 강도에 해당하는 산란강도는 음향임피던스의 차이를 반영하며, 도플러(Doppler)효과에 의한 주파수 편이량은 운동속도, 정확하게는 초음파빔의 진행방향에 대한 속도성분을 반영한다.
초음파를 이용한 진단 장치의 일종인 도플러진단장치는 신호의 산란강도와 함께 주파수의 편이량 또한 화상으로 표시해 줌으로써 생체의 동태(動態)기능을 평가할 수 있게 한다. 특히, 칼라를 표시할 수 있는 칼라도플러 영상 시스템은 수신신호를 복조한 다음 디지탈화하여 처리함으로써, 심장이나 대혈관 속을 흐르는 혈류를 실시간 2차원화상으로 묘사한다. 이러한 칼라도플러영상시스템은 단층상과 혈류정보를 동시에 나타낼 수 있는데, 단층상과 혈류정보를 서로 구별하기 위하여 단층상을 흑백으로 표시하고 혈류정보를 칼라로 표시한다. 이때, 주사한 초음파빔의 진행방향으로 흐르는 혈류는 따뜻한 색으로, 반대방향의 혈류는 차가운 색으로 표시함으로써 혈류에 대한 정보를 좀 더 정확하게 표현할 수 있다.
상술한 칼라도플러 영상시스템에 의해 복조된 도플러신호는 심장벽이나 심장판의 운동에 의한 저주파도플러신호도 포함하고 있다. 클러터신호(Clutter signal)라고도 불리우는 이러한 저주파도플러신호는 혈류정보를 정확히 검출하는데 방해가 되므로, 혈류정보를 정확히 검출해 내려면 저주파도플러신호를 제거하는 것이 필수적이다. 심장벽이나 심장판의 운동에 의한 저주파도플러신호는 통상 매우 큰 레벨의 직류성분으로서 혈류에 의한 도플러신호보다 대략 수백배 큰 진폭을 갖는다. 이런 이유로, 칼라도플러 영상시스템은 운동체로부터 발생하는 클러터신호를 제거하기 위하여 디지탈 고역통과필터(High Pass Filter)의 일종인 MTI(Moving Target Indicater) 필터를 사용한다. MTI필터는 MTI레이더의 원리를 이용한 것으로서, 주로 낮은 차수(order)의 무한충격응답(Infinite Impulse Response; IIR)필터가 사용된다. 유한충격응답(Finite Impulse Response; FIR)필터의 경우, 무한충격 응답(Infinite Impulse Response; IIR)필터에 비해 상대적으로 하드웨어를 구현하기가 쉽고 계수변화에 대한 안정도가 높아 과도현상(Transient phenomena)이 나타나지 않는 장점이 있다. 그러나, FIR필터는 매우 완만한 주파수특성곡선을 가지고 있어 저주파도플러신호(또는 클러터신호)를 제거하는데 필요한 차단주파수(Cut-off frequency)를 정하기가 쉽지 않다. 이에 비해 IIR필터는 일반적으로 낮은 차수(order)로 원하는 급경사의 주파수특성 곡선을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나, IIR필터는 계수값의 변화에 대한 안정도가 떨어져 임의의 입력신호의 시간적인 변화에 대하여 과도현상이 오랫동안 나타나는 결점이 있다. 필터의 과도응답시간이 길어지게 되면, 초음파신호로부터 얻어진 데이터 열중에서 필터처리에 사용되는 데이터의 갯수가 상대적으로 작게된다. 이런 결점은 기존의 IIR필터로는 도플러영상시스템에서 요구되는 프레임율(frame rate)을 확보할 수 없게 하며 실시간주사(real time scanning)도 불가능하게 하는 문제를 일으킨다. 과도응답시간에 관련한 문제를 해결한 기존의 IIR형 디지탈 고역통과필터를 제1도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
제1도의 디지탈 고역통과필터는 2차(order)무한충격응답형태를 사용하는 필터이다. 제1도에 보여진 가산기(10)는 입력신호(X(n))와 계수곱셈기들(14,20)로부터 궤환된 신호들을 가산하며, 가산결과로 얻어진 신호를 메모리레지스터(12) 및 가산기(24)로 출력한다. 메모리레지스터(12)는 입력신호를 지연시킨 다음 지연된 신호(W1(n))를 계수곱셈기들(14,16) 및 메모리레지스터(18)로 출력한다. 계수곱셈기(14)는 메모리레지스터(12)의 출력신호에 -a를 곱셈하여 가산기(10)로 공급한다. 메모리레지스터(18)는 메모리레지스터(12)의 출력신호를 지연시켜 계수곱셈기들(20, 22)로 출력한다. 계수곱셈기(20)는 메모리레지스터(18)의 출력신호(W2(n))에 -b를 곱하여 가산기(10)로 공급한다. 계수곱셈기(16)는 메모리레지스터(12)의 출력신호에 -2를 곱하여 가산기(24)로 출력하며, 계수곱셈기(22)는 메모리레지스터(18)의 출력신호를 그대로 가산기(24)로 출력한다. 가산기(24)는 가산기(10) 및 계수곱셈기들(16,22)로부터 인가되는 신호들을 가산하여 최종출력신호(Y(n))를 발생한다.
제1도의 구조를 갖는 IIR필터는 최종정상상태(final steady state)의 값들을 필터의 초기값들로 사용한다. 심장벽이나 심장판의 운동에 의한 저주파도플러신호는, 전술한 것처럼, 그 레벨이 매우 큰 직류성분이나 저주파 성분이므로, 제1도에 보여진 IIR필터의 초기조건으로 인가할 신호의 크기는 임의의 한 레인지게이트(range gate)로부터 최초로 되돌아온 신호의 크기와 같은 스텝입력신호의 크기로 생각할 수 있다. 초기조건으로 인가할 신호의 크기 계산을 Z-영역(Z-domain)에서 다음의 수식(1)로 표현된 제1도 필터의 전달함수(transfer function)를 이용하여 설명하면 다음과 같다.
제1도에 보여진 2개의 메모리레지스터들(12,18)의 초기값들을 구하기 위해 각각에 대한 Z-영역에서의 전달함수들을 구하면 다음의 식들 (2) 및 (3)과 같다.
여기서, 최초로 되돌아온 신호의 크기를 K라고 하면, K의 크기를 갖는 스텝입력신호에 대한 출력들은 다음의 식들 (4) 및 (5)와 같게 된다.
식들 (4) 및 (5)에 최종값정리(final value theorem)를 적용하면 다음의 식(6)으로 표현된 결과를 얻게된다.
따라서, 각각의 레인지게이트로부터 최초로 되돌아온 신호의 크기 K에 1/(1+a+b)를 곱하여 얻어진 값들을 제1 및 제2메모리레지스터(12,18)에 초기값들로 저장한 다음 필터처리를 행하면, 필터의 과도응답시간이 길어지는 문제를 해결할 수 있게 된다.
그러나, 상술한 방식에서 필터의 차단주파수값이 0에 가까운 경우 식 (6)의 분모값이 작아지므로, 최초 궤환에 의한 신호의 크기 K의 값이 전체적으로 크게 증가하게 된다. 따라서, 메모리레지스터들(12,18)의 초기조건을 표현하기 위해서는 많은 비트수가 필요하며 과도응답현상도 더욱 심각하게 된다. 그 결과로, 많은 양의 입력샘플수를 필요로 하게 되어 실시간 영상을 얻기가 어렵게 된다.
본 발명의 목적은 실시간으로 영상처리하는 초음파 도플러 영상시스템을 위하여, 차단주파수에 무관하게 초음파 도플러신호에 들어있는 저주파도플러신호를 제거하는 고역통과필터의 출력을 효율적으로 사용할 수 있게 하는 방법을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 초음파 도플러신호에 들어있는 저주파성분을 차단주파수에 무관하게 제거하는 무한충격응답형태의 디지탈 고역통과필터를 구비하여 초음파 도플러신호를 실시간 영상처리하는 초음파 도플러 영상 시스템을 위한, 초음파 도플러신호의 필터링 방법은, 입력하는 초음파도플러신호의 샘플들을 필터링하여, 대응하는 샘플들의 출력신호를 얻는 단계; 상기 출력신호의 샘플들의 기설정된 갯수의 초기 샘플들을 주기적으로 제거하는 단계; 및 초음파도플러신호의 실시간 영상처리를 제공하기 위하여, 상기 초기 샘플들을 뒤따르는 상기 출력신호의 샘플들을 주기적으로 이용하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 구현한 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
기존의 IIR필터에서의 과도응답시간을 줄이기 위하여 변형된(modified) 구조의 IIR필터가 J. R. Mick의 1971년 'Digital Filter in Airborne MTI Radar'라는 제목의 논문에서 제안되었다. 제2도는 MTI방식에 근거한 변형된 2차 IIR필터의 구성을 도시한 것으로서, 본 발명에서는 이를 이용한 초음파 도플러 신호의 필터링방법을 제안하고자 한다.
제2도에 보여진 필터에서, 그 구성요소들은 제1도 필터의 대응하는 구성요소들과 동일한 참조번호(reference numeral)를 갖는다. 제1가산기(10)는 입력신호(X(n))와 제1 및 제2계수곱셈기들(14,20)의 출력신호를 가산한다. 제1메모리레지스터(12)는 제1가산기(10)의 출력신호를 지연시켜 제2가산기(28)로 출력한다. 제5계수곱셈기(26)는 입력신호(X(n))에 -1을 곱하여 제2가산기(28)로 출력한다. 제2가산기(28)는 제1메모리레지스터(12)의 출력신호(W1(n)) 및 제5계수곱셈기(26)의 출력신호를 가산한다. 제3계수곱셈기(16)는 제2가산기(28)의 출력신호를 -1배 만큼 증폭한다. 제3가산기(30)는 제3및 제4계수곱셈기(16, 22)의 출력신호를 가산하여 최종출력신호(Y(n))를 발생한다. 제1, 제2 및 제4계수곱셈기들(14, 20, 22)과 제2메모리레지스터(18)는 동일한 참조번호를 갖는 제1도의 대응하는 구성 요소들과 동일한 기능을 수행하므로 그 구체적인 설명을 생략한다.
제2도 필터의 Z-변환에 의한 전달함수는, 전술한 식 (1)과 동일하게 표현할 수 있다. 레인지게이트로부터 최초로 되돌아온 신호의 크기 K에 대한 메모리 레지스터들(12,18)의 출력들은 Z-영역에서 다음의 식 (7) 및 (8)로 각각 표현된다.
식 (7)과 (8)에 최종값정리를 적용하면, 메모리레지스터들(12,18)에 저장되는 최종정상상태에서의 값들은 각각 K(=X(0)) 및 0이 된다. 그러므로, 제1메모리레지스터(12)에는 K를, 제2메모리 레지스터(18)에는 0가 인가된 다음부터 필터처리가 수행된다. 그러므로, 제2도의 IIR필터는 초기조건을 표현하기 위해 많은 수의 비트를 필요로 하지 않게 되며, 특히 초음파 칼라도플러신호에서 발생하는 스텝입력에 대한 과도응답시간을 완전히 제거할 수 있다. 그러나, 제2도와 같이 변형된 IIR필터에서도 여전히 남게되는 문제점을 분석해 보면 다음과 같다.
제2도 필터의 출력 Y(n)은 다음의 식 (9)와 같다.
여기서,
식 (10) 및 (11)을 사용하여 식 (9)를 다시 표현하면 다음과 같다.
식 (12)로부터 초기의 출력신호들인 Y(0), Y(1)을 구하면 다음의 식들 (13) 및 (14)와 같다.
여기서, W1(0) = X(0), W2(0) = 0.
그리고, 출력신호들인 Y(2), Y(3)은 다음의 식 (15) 및 (16)과 같다.
위의 식 (13) 및 (14)에서 알 수 있는 것처럼, Y(0) 와 Y(1)은 필터의 특성에 관계없이 일정한 값을 갖는다. 그리고, Y(2)는 계수 b가 빠져 있어 원하는 필터의 차단주파수를 얻는데 문제가 된다. 정리하면, 필터처리에 유효한 출력은 Y(3)항부터가 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은 필터 후단에서 이러한 필터의 초기 3개의 출력을 사전 설정한 프로그램 등을 이용하여 제거한다. 그리고, 4번째 출력 Y(3)부터 저주파도플러신호의 제거를 위한 고역통과필터링에 사용한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 제2도의 변형된 IIR필터의 구조를 사용하며 필터특성의 부정확한 요인이 되는 최초 3개의 데이타를 제외시킨다. 그러므로, 필터의 차단주파수값에 무관하게 초음파 도플러신호를 실시간 처리할 수 있게 할 뿐만 아니라, 종래 IIR필터의 특성곡선에서 볼 수 있는 급경사의 특성곡선을 작은 차수 및 간단한 초기조건을 이용하여 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제시된 필터링방법을 이용한 초음파 칼러도플러 영상시스템은 초음파도플러신호에 들어있는 저주파도플러신호를 보다 정확하게 제거할 수 있으며, 높은 프레임율을 통한 영상의 실시간처리가 가능하게 된다.

Claims (8)

  1. 초음파 도플러신호에 들어있는 저주파성분을 차단주파수에 무관하게 제거하는 무한충격응답형태의 디지탈 고역통과필터를 구비하여 초음파 도플러신호를 실시간 영상처리하는 초음파 도플러 영상 시스템을 위한, 초음파 도플러신호의 필터링 방법에 있어서, 입력하는 초음파도플러신호의 샘플들을 필터링하여, 대응하는 샘플들의 출력신호를 얻는 단계; 상기 출력신호의 샘플들의 기설정된 갯수의 초기 샘플들을 주기적으로 제거하는 단계; 및 초음파도플러신호의 실시간 영상처리를 제공하기 위하여, 상기 초기 샘플들을 뒤따르는 상기 출력신호의 샘플들을 주기적으로 이용하는 단계를 포함하는 초음파도플러신호의 필터링방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 출력신호의 샘플들의 기설정된 갯수의 초기 샘플들은 상기 출력신호의 세 개의 초기샘플들인 초음파도플러신호의 필터링방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제거단계는 초음파 도플러영상시스템에서의 매 레인지게이트(range gate) 동안에 수행되는 초음파도플러신호의 필터링방법.
  4. 제1항에 있어서, 생체로부터 반사된 초음파신호를 위한 것임을 특징으로 하는 초음파도플러신호의 필터링방법.
  5. 제4항에 있어서, 생체의 혈류의 동태진단을 위한 것임을 특징으로 하는 초음파도플러신호의 필터링방법.
  6. 제1항에 있어서, 레인지게이트로부터 초기에 되돌아오는 디지탈 고역통과필터의 입력신호의 크기(K)에 대하여 다음의 식들로 표현되는 중간출력들인 W1(Z) 및 W2(Z)를 계산하는 단계를 더 포함하며,
    여기서 a 및 b는 계수들인, 초음파도플러신호의 필터링 방법.
  7. 제6항에 있어서, 디지탈 고역통과필터로의 입력샘플들 X(n)에 대한 디지탈 고역통과필터로부터의 출력 샘플들 Y(n)은 다음의 식에 따라 결정되며,
    Y(n) = X(n) - W1(n) + W2(n),
    여기서, W1(n) = X(n-1) - a{W1(n-1) - X(n-1)} - bW2(n) 이며, W2(n) = W1(n) - X(n-1) 인, 초음파도플러신호의 필터링 방법.
  8. 제7항에 있어서, 출력 샘플들인 Y(0), Y(1) 및 Y(2)은 필터출력으로부터 주기적으로 제거되는 초음파도플러신호의 필터링방법.
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