KR100232257B1

KR100232257B1 - 클러터신호의 과도응답을 최소로 하는 초음파칼라도플러영상시스템

Info

Publication number: KR100232257B1
Application number: KR1019970045844A
Authority: KR
Inventors: 배무호
Original assignee: 이민화; 주식회사메디슨
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 1999-12-01
Also published as: EP0901022B1; US6126604A; JPH11155860A; KR19990024624A; JP3011691B2; DE69841516D1; EP0901022A3; EP0901022A2

Abstract

개시된 내용은 무한충격응답(Infinite Impulse Response)필터를 이용하여 생체로부터 반사된 초음파도플러신호를 입력받아 클러터신호(clutter signal)의 과도응답을 최소로 줄이면서 도플러신호의 평균주파수 및 파워를 산출하는 초음파칼라도플러영상시스템(Ultrasound Color Doppler Imaging System)에 관한 것이다. 이 시스템은 필터링된 출력신호 중 초기 몇 개의 신호가 배제된 연속된 데이터를 입력받아 처리하는 전처리(forward processing)부, 초기 몇 개의 신호가 배제된 연속된 데이터에서 인덱스순서를 뒤집어서 데이터를 입력받아 처리하는 후처리(backward processing)부 및 전처리부와 후처리부의 출력결과를 연산하는 연산부를 포함한다. 이와 같은 시스템을 이용하면 클러터신호에 의한 과도응답은 충분히 줄이면서도 혈류속도계산에 필요한 데이터의 개수는 거의 줄지않는 효과를 낼 수 있어 더욱 정확한 혈류속도를 검출할 수 있게 된다.

Description

클러터신호의 과도응답을 최소로 하는 초음파칼라도플러영상시스템

본 발명은 초음파칼라도플러영상시스템(Ultrasound Color Doppler Imaging System; UCDI System)에 관한 것으로, 특히 초음파영상으로부터 클러터(clutter)신호에 대한 과도응답(transient response)을 최소로 하면서 도플러신호의 파워와 평균주파수를 산출하는 시스템에 관한 것이다.

근래들어, 초음파를 이용한 진단시스템이 일반 의료분야에서 널리 사용되고 있다. 초음파진단기는 전자공학의 발달로 그 성능이 획기적으로 개선되어 최근에는 제 2의 청진기로서 그 역할을 담당하고 있다. 초음파진단법의 원리는 초음파가 생체조직을 전송할 때 보여주는 음속의 변화, 반사산란, 흡수감쇄, 도플러현상 등 생체조직의 음향 물리적 반응이나 정보를 진단에 이용하는 것이다.

초음파로 스캔한 신호를 영상으로 구현할 때 펄스반사법, 투과법 외에 도플러법이 사용된다. 초음파를 생체에 주사했을 때 도플러효과에 의한 주파수의 편이량은 운동속도를 반영하고 있다. 따라서, 초음파단층장치가 산란강도만을 화상의 계조에 대응시켜 표시하므로써 생체내의 조직상태만을 알 수 있는 데 반해, 초음파도플러장치는 신호강도에 주파수의 편이량도 화상으로 표시해 주므로써 생체의 운동속도를 검출하여 생체의 동태기능을 평가할 수 있게 한다.

이러한 도플러방식의 대부분을 차지하고 있는 펄스도플러법 혈류장치에서는 일반적으로 빔방향으로 일정 깊이의 혈류정보만을 얻을 수 있다. 그러나, 칼라를 표시할 수 있는 도플러영상시스템이 등장함에 따라 심장이나 대혈관내를 흐르는 혈류를 2차원의 화상으로 묘사할 수 있게 되었다. 칼라도플러영상시스템은 종래 방식에 의한 단층상과 동시에 나타낼 수 있는 데 혈류정보를 종래 방식에 의한 단층상과 구별하기 위하여 종래의 상은 흑백으로 표시하고, 혈류정보는 칼라로 표시한다. 이 때, 주사한 초음파빔의 방향으로 흐르는 혈류는 따듯한 색으로, 반대 방향의 혈류는 차가운 색으로 표시함으로써 혈류에 대한 정보를 좀 더 정확하게 표현할 수 있다.

칼라도플러영상시스템에서 인체로부터 되돌아온 초음파에코(echo)신호를 앙상블(ensemble)축으로 관찰하면 비교적 주파수는 높으나 그 크기는 상대적으로 미약한 세기의 혈류로부터의 신호와, 비교적 주파수는 낮으나 강력한 크기의 연조직 등으로부터의 신호가 섞여있음을 알 수 있다. 보통 전자를 도플러신호, 후자를 클러터신호라 칭한다. 이 때, 혈류속도를 영상화하고자 할 경우 클러터신호는 적절히 제거되어야 한다. 그래서, 칼라도플러영상시스템에서는 이러한 클러터신호를 제거하기 위해서 보통 고역통과필터(High Pass Filter)를 사용한다.

특히, 클러터신호와 같이 운동체로부터 발생하는 신호를 제거하기 위해서는 MTI(Moving Target Indicator)레이다의 원리를 응용한 필터를 사용하는 것이 유용하다. MTI필터로는 일반적으로 낮은 차수의 무한충격응답(Infinite Impulse Response; IIR)필터가 사용된다. 유한충격응답(Finite Impulse Response; FIR)필터의 경우 IIR필터에 비해 상대적으로 하드웨어를 구현하기가 쉽고 계수변화에 대한 안정도가 높아 과도현상(Transient phenomena)이 나타나지 않는 장점이 있다. 그러나, FIR필터는 매우 완만한 주파수 특성곡선을 가지고 있어 클러터신호를 제거하는 데 필요한 차단주파수(Cut-off frequency)를 정하기가 쉽지 않다.

그래서, 도 1에 2차 IIR필터를 이용하여 도플러신호의 평균주파수 및 파워를 산출하는 일반적인 초음파칼라도플러영상시스템의 구성블록도를 도시하였다. 도시한 바와 같이 이 영상시스템은 다수의 2차 IIR필터(11∼14)와 자기상관추정기(Auto-correlation Estimator)(15) 그리고 룩-업 테이블(Look-up table)(16)로 구성되어 있다.

도 1에서 이 전체 블록도의 입력으로는 혈류의 평균속도와 파워를 계산하기 위한 실용적인 데이터셋트(data set)의 수효 N개의 연속된 복소수 I(n), Q(n)(n=0, 1, N-1)이다. 그리고, 2차 IIR필터(11∼14)의 입력을 x(n), 출력을 y(n)이라 하면 입력과 출력의 관계는 다음 수학식으로 표현된다.

y (n) =α₀x (n) +α₁x (n-1) +α₂x (n-2) -β₁y (n-1) -β₂y (n-2)

수학식 1에서 α₀, α₁, α₂, β₁, β₂는 필터계수(filter coefficient)로써, 사용하는 필터의 특성에 따라 적절히 설정되는 변수들이다. 이 때, n=0, 1, N-1로만 정의되는 경우 x(-1), x(-2), y(-1), y(-2) 등을 어떻게 정의하는 가에 따라 필터에서 제거하는 클러터신호에 대한 과도응답(transient response)이 변화한다.

도 1에서 입력 I2(n), Q2(n)에 따른 자기상관추정기(15)의 자기상관출력은 다음 수학식으로 정의된다.

그래서, 자기상관추정기(15)의 자기상관 R(0)로서 도플러신호의 파워를 산출하고, Re{R(1)}과 Im{R(1)}의 tan^-1룩-업테이블(16)를 통하여 도플러신호의 평균주파수를 산출한다.

일반적인 복부용 칼라도플러영상시스템의 경우 한 픽셀(pixel)에 대한 혈류의 평균속도와 파워를 계산하기 위한 N은 많아야 16개, 적으면 8개 정도이므로 대부분의 IIR필터의 경우 클러터신호에 대한 과도응답은 남아 있다. 또한, 보통 클러터신호가 도플러신호에 비해 40∼50㏈정도 크므로 클러터신호의 과도응답이 조금만 남더라도 혈류속도계산에 악영향을 미친다. 그래서, 이를 줄이기 위한 여러 연구가 진행되고 있는데, 그 대표적인 문헌으로 'M. A. Shariati, J. H. Dripps, and, W. N. Mcdicken, Deadbeat IIR based MTI filtering for color flow imaging systems, IEEE Ultrason. Symp. 1993, pp.1059-1063'와 'E.S. Chornoboy, Initialization for Improved IIR Filter Performance, IEEE trans. on Signal Processing, vol.40, no.3, Mar.1992, pp.543-550'이 있다. 이 논문에서는 IIR필터의 내부변수를 어떻게 잘 초기화하여 클러터신호의 과도응답을 적절히 줄일 수 있는 가에 대한 참신한 방법을 제시하고 있다. 그러나, 이러한 연구에도 불구하고 여전히 어느 정도의 과도응답은 남아 있고, 이로 인해 시스템의 성능에 나쁜 영향을 주고 있다.

따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 일반적인 필터의 경우 과도응답의 크기가 시간에 따라 감소하는 특성을 이용하여 클러터신호의 과도응답을 최소로 하여 신뢰할 수 있는 혈류속도를 검출할 수 있도록 하는 초음파칼라도플러영상시스템을 제공하고자 한다.

도 1은 일반적인 초음파칼라도플러영상시스템의 구성을 나타낸 블록도,

도 2는 본 발명에 따른 초음파칼라도플러영상시스템의 구성을 나타낸 블록도.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

20 : 전처리부 30 : 후처리부

21∼24, 31∼34 : 2차 IIR필터 25, 35 : 자기상관추정기

41∼43 : 가산기 44 : 룩-업테이블

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 생체로부터 반사된 초음파도플러신호를 입력받아 클러터신호(clutter signal)의 과도응답을 제거하기 위한 무한충격응답(Infinite Impulse Response; IIR)필터를 이용하는 초음파칼라도플러영상시스템(Ultrasound Color Doppler Imaging System)에 있어서, 필터링된 출력신호 중 초기 몇 개의 신호가 배제된 연속된 데이터를 입력받아 처리하는 전처리(forward processing)부, 초기 몇 개의 신호가 배제된 연속된 데이터에서 인덱스순서를 뒤집어서 데이터를 입력받아 처리하는 후처리(backward processing)부 및 전처리부와 후처리부의 출력결과를 연산하는 연산부를 포함하여 클러터신호의 과도응답을 최소로 줄이면서 도플러신호의 평균주파수 및 파워를 산출하는 초음파칼라도플러영상시스템에 있다.

첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 구현한 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 도플러신호의 평균주파수 및 파워를 산출하는 초음파칼라도플러영상시스템의 블록도를 나타낸 도면이다. 이 시스템은 크게 전처리(forward processing)부(20), 후처리(backward processing)부(30), 전 후처리부(20, 30)의 자기상관추정기(25, 35)들로부터의 결과를 가산하는 다수의 가산기(41∼43) 그리고 룩-업테이블(44)를 포함하고 있다. 이 시스템에서 전처리부(20)와 후처리부(30)는 각각 4개의 2차 IIR필터(21∼24, 31∼34)와 자기상관추정기(25, 35)를 포함하고 있다. 또한, 이 전처리부(20)와 후처리부(30)의 동작은 전술한 도 1시스템에서의 동작과 동일하다. 그리고, 후처리부(30)는 전처리부(20)에서의 I(n), Q(n)에 대한 인덱스(index)순서가 뒤집어진 입력 I(N-n-1), Q(N-n-1)를 입력받아 처리한다.

도 2를 설명하면 이 전체 블록도의 입력은 도 1시스템과 동일하게 N개의 연속된 복소수 I(n), Q(n)(n=0, 1, N-1)이다. 도 2에서 If(n), Qf(n)은 I(n), Q(n)과 동일하다. 그리고, 전처리부(20)에서 제 2, 4의 2차 IIR필터(22, 24)와 자기상관추정기(25)로의 입력 If1(n), If2(n), Qf1(n), Qf2(n)의 인덱스는 0부터 시작하지않는다. 즉, 인덱스 n=n1, n1+1, N-1 그리고 n2, n2+1, N-1이다. 이것은 전처리부(20)에서 제 1, 3의 2차 IIR필터(21, 23)의 필터링된 출력신호 중 초기 몇 개의 신호에는 특별히 클러터신호에 대한 과도응답이 많다고 가정하고, 이에 대한 초기 몇 개의 신호를 배제한 것을 의미한다. 이 때, n2는 n1과 같거나 크고, n1과 n2는 필터계수, 시스템의 상황 등에 따라 적절히 실험적으로 결정된다. 배제되는 초기 신호 수 즉, n1과 n2가 증가할수록 클러터신호에 대한 과도응답의 영향은 줄어들게 된다.

이렇게 함으로써 클러터신호에 대한 영향은 감소시켰으나 전처리부(20)의 자기상관추정기(25)로 입력되어 혈류속도계산에 참여하는 데이터의 개수는 줄어들게 된다. 이로 인해 신뢰성있는 혈류속도검출이 어려워진다. 그래서, 이것을 방지하기 위해 또 하나의 전처리부 즉, 도 2에 도시한 후처리부(30)를 포함하였다. 이 후처리부(30)의 동작은 상술한 전처리부(20)의 동작과 동일하며, 전술한 것처럼 전처리부(20)에서의 I(n), Q(n)에 대한 인덱스순서가 뒤집어진 입력 I(N-n-1), Q(N-n-1)를 처리한다.

그래서, 전처리부(20)와 후처리부(30)의 자기상관추정기(25, 35)에 대한 출력 자기상관 R(0)를 각각 더함으로써 도플러신호의 파워를 산출하고, Re{R(1)}과 Im{R(1)}의 tan^-1룩-업테이블(44)를 통하여 도플러신호의 평균주파수를 산출한다. 이 때, Im{R(1)}의 경우는 부호가 반대로 되므로 서로 뺀다.

이와 같이 하면 n1, n2가 어느 정도(약 N/2정도)까지 커질수록 각각의 처리부(20, 30)에서 클러터신호로 인한 과도응답은 더욱 줄어들면서도 두 자기상관추정기(25, 35)의 출력은 점점 더 독립적으로 된다. 그래서 자기상관추정기(25, 35)의 출력을 서로 더할 경우(혹은 서로 뺄 경우) 전술한 도 1시스템에서와 같이 배제한 데이터가 전혀 없는 경우와 유사하게 된다.

전술한 도 2시스템은 본 발명에 따른 일례를 나타낸 것으로 만일 신호처리부가 DSP소프트웨어로 구현된 경우 계산속도에 여유가 있다면 추가적 하드웨어없이 소프트웨어만으로도 도 2시스템과 같은 처리를 할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 시스템을 이용하면 클러터신호에 의한 과도응답은 충분히 줄이면서도 혈류속도계산에 필요한 데이터의 개수는 거의 줄지않는 효과를 낼 수 있어 더욱 정확한 혈류속도를 검출할 수 있게 된다.

Claims

생체로부터 반사된 초음파도플러신호를 입력받아 클러터신호(clutter signal)의 과도응답을 제거하기 위한 무한충격응답(Infinite Impulse Response; IIR)필터를 이용하는 초음파칼라도플러영상시스템(Ultrasound Color Doppler Imaging System)에 있어서,

필터링된 출력신호 중 초기 몇 개의 신호가 배제된 연속된 데이터를 입력받아 처리하는 전처리(forward processing)부;

상기 초기 몇 개의 신호가 배제된 연속된 데이터에서 인덱스순서를 뒤집어서 데이터를 입력받아 처리하는 후처리(backward processing)부; 및

상기 전처리부와 상기 후처리부의 출력결과를 연산하는 연산부를 포함하여 클러터신호의 과도응답을 최소로 줄이면서 도플러신호의 평균주파수 및 파워를 산출하는 초음파칼라도플러영상시스템.
제 1항에 있어서, 상기 전처리부와 후처리부는 각각

클러터신호를 제거하기 위한 다수의 2차 IIR필터; 및

상기 다수의 2차 IIR필터의 출력신호 중 초기 몇 개의 신호를 배제한 데이터를 입력받아 자기상관을 출력하는 자기상관추정기(Auto-correlation Estimator)로 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파칼라도플러영상시스템.
제 1항에 있어서, 상기 연산부는 상기 각 자기상관추정기의 자기상관 출력결과를 각각 가산하는 다수의 가산기로 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파칼라도플러영상시스템.
제 3항에 있어서, 상기 연산부는 자기상관 출력결과 중 허수부에 해당하는 출력결과는 각각 감산하는 것을 특징으로 하는 초음파칼라도플러영상시스템.