KR100294229B1 - 동일영상점을갖는펄스형태의평면파들을합성함으로써송신집속을구현하는방법 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 초음파 트랜스듀서를 이용하여 초음파 영상의 영상점에서 진행방향이 각각 다르고 선형지연시간이 인가된 펄스드모드(pulsed mode) 평면파들을 합성집속함으로써 제한회절빔(송신집속)을 구현하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 진행방향이 각각 다르고 선형지연시간이 인가된 각각의 펄스드모드 평면파를 발사하는 단계, 상기 발사된 각각의 펄스드모드 평면파에 대한 각 데이터(펄스드모드 평면파의 지향각, 펄스드모드 평면파의 발사지점)를 저장하는 단계, 상기 발사된 각각의 펄스드모드 평면파가 반사되어 돌아오는 각각의 시간과 상기 저장된 각 데이터를 이용하여 상기 발사된 각각의 펄스드모드 평면파가 다다른 각각의 영상깊이를 계산하는 단계 및 상기 저장된 각 데이터와 계산된 각각의 영상깊이로부터 상기 발사된 각각의 펄스드모드 평면파 중에서 동일 영상점(펄스드모드 평면파의 발사지점, 영상깊이)을 지니는 다수 펄스드모드 평면파를 찾아 선형적으로 중첩하는 단계로 이루어진다. 이와 같은 방법을 적용하면 초음파 영상에서 간단한 하드웨어로 제한회절빔을 구현할 수 있고, 측방향해상도가 지향각의 영향을 받지않는 잇점이 있다.

Description

초음파 영상에서 제한회절빔의 구현방법

본 발명은 초음파 트랜스듀서를 이용하여 초음파 영상에서 제한회절빔(송신집속)을 구현하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진행방향이 다르며 선형지연시간이 인가되는 각 펄스드모드(pulsed mode) 평면파들을 송신하여 모든 영상점에서의 펄스드모드 평면파를 합성집속함으로써 제한회절빔을 구현하는 방법에 관한 것이다.

초음파 선형트랜스듀서에서 제한회절빔(송신집속)은 영상깊이에서 진행방향이 다른 평면파들을 선형적으로 중첩한 후, 중첩된 평면파들을 주파수적분함으로써 구해진다. 즉, 이러한 제한회절빔을 구현하기위한 송신음장은 영상깊이를 지나가는 평면파들의 공간적인 확장으로부터 구현된다. 도시한 도면들을 참조하여 제한회절빔의 구현방법을 설명하도록 한다.

도 1은 지향각 θ인 단일 연속평면파(monochromatic plane wave)를 나타낸 도면이다. 도 1에서 선형트랜스듀서가 x-z좌표상에서 원점을 중심으로 x축상으로 위치하고, 연속평면파(Φ_β)가 z축에 대하여 지향각 θ의 각도를 가지고 진행할 때, 연속평면파(Φ_β)는 다음 수학식 1과 같이 표현된다.

Φ_β= e^{- i ω t}e^{i k β x}e^{i k υ (z-zf)}

수학식 1에서 β=sinθ, υ²+β²=1, k=ω₀/cυ의 관계가 있으며, ω는 주파수, t는 연속평면파가 영상깊이에 도착한 시간을 나타낸다.

도 2는 동일 주파수를 지니고, 지향각 0,θ인 두 개의 연속평면파(Φ₀,Φ_β)를 중첩하여 나타낸 도면이다. 그래서, 두 연속평면파 파면의 위상이 중첩되는 지점인 초점 z=z_f에서는 가장 큰 전력이 나타나며, 초점에서 측방향으로 멀어질수록 두 연속평면파 파면의 위상차가 커지게 되므로 전력은 떨어지게 된다. 그리고 도 2에서 λ₀는 연속평면파(Φ₀)의 파장을 나타낸다.

그래서, 도 2와 같은 방법으로 지향각 ±θ_m각도 이내(±β_m= sin±θ_m)로 진행하는 모든 연속평면파들을 중첩하면 다음 수학식2와 같이 표현된다.

수학식2에 보인 바와 같이 측방향의 송신음장특성은 sinc함수로 나타나며, 주극(mainlobe)의 폭은 λ/β_m이 된다.

그러나, 도시한 도 2에서 주극이 있는 중심축상에서 초점(z_f)을 벗어난 영상깊이에서 두 연속평면파(Φ₀,Φ_β)는 dt만큼의 위상차를 지니며, 초점(z_f)을 벗어난 영상깊이에서의 신호전력은 떨어지게 된다. 따라서, 수학식2는 영상깊이에 따라 회절하는 송신음장특성을 갖게 되며, 이는 영상깊이에 따른 송신음장특성이 β_m의 함수로 나타나기 때문이다. 그래서, 만일 연속평면파의 진행방향에 따른 주파수(ω)가 θ=0일 때의 주파수(ω₀)와의 사이에 ω=ω₀/υ의 관계가 있다면, 주극이 있는 중심축상의 모든 영상깊이에서 연속평면파들의 위상은 일치하게 되며(도 3에 도시됨), 수학식2는 다음 수학식3으로 다시 표현된다.

수학식3은 x와 z의 함수가 분리된 완전한 비회절 송신음장특성을 갖게 된다. 그리고, 수학식3은 지향각 ±θ_m각도 이내로 진행하는 모든 연속평면파들을 중첩한 경우를 나타낸 것으로서, 연속평면파가 의용초음파에 적용되기 위해서는 영상깊이방향의 해상도를 가져야 한다. 연속평면파가 영상깊이방향의 해상도를 갖도록하기 위해서는 다양한 주파수를 갖는 펄스드 모드(pulsed mode) 평면파들을 중첩함으로써 공간적으로 확장한다. 따라서, 수학식3을 주파수적분하면 다음 수학식4와 같이 표현된다.

수학식4에서 BW는 펄스의 주파수대역을, F(ω)는 송수신시스템의 주파수특성을 나타낸다.

수학식4로부터 선형트랜스듀서에서의 송신음장원(source distribution; Ψ(x,z=0,t=0))을 구하면 측방향 송신음장특성과 동일하게 sinc함수의 형태를 갖는다. 그리고 선형트랜스듀서 각각의 변환소자마다 송신해야하는 펄스드모드 평면파의 형태는 수학식4에 z=0을 대입함으로써 구한다. 그러나, 수학식4에 z=0을 대입함으로써 구해지는 펄스의 길이는 시간축에서 무한의 길이를 가지므로 인해 절단오차가 유발되며 펄스의 형태도 또한 복잡하여, 이와 같은 펄스를 구현하기위해서는 복잡한 하드웨어를 필요로 한다. 또한, 측방향해상도는 β_m에 의해 좌우되는 데, 해상도를 크게 하기 위하여 β_m를 증가시키면 비회절특성이 악화되고, 전체의 송신전력이 기존의 한점집속방법보다 적어서 영상의 신호대잡음비가 떨어진다.

따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 펄스드모드 평면파들을 주파수적분하지않고, 진행방향이 다르고 선형지연시간이 인가된 펄스드모드 평면파들을 각각 송신한 후 송신데이터를 조합하여 모든 영상점에서의 펄스드모드 평면파를 합성집속함으로써 제한회절빔을 구현하는 방법을 제공하고자 한다.

도 1은 단일 연속평면파를 나타낸 도면,

도 2는 동일 주파수를 갖는 연속평면파를 중첩하여 나타낸 도면,

도 3은 다른 주파수를 갖는 연속평면파의 중첩을 나타낸 도면,

도 4는 지향각 θ로 진행하며 선형지연시간이 인가되는 펄스드모드 평면파를 나타낸 도면,

도 5는 5개의 펄스드모드 평면파를 중첩하여 영상점(x,z)에 집속한 예를 나타낸 도면,

도 6은 3차원 영상을 얻기위한 원형트랜스듀서로부터 펄스드모드 평면파의 송신을 나타낸 도면.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 초음파 영상에서 제한회절빔(송신집속)을 구현하는 방법에 있어서, 진행방향이 각각 다르고 선형지연시간이 인가된 각각의 펄스드모드(pulsed mode) 평면파를 발사하는 단계; 상기 발사된 각각의 펄스드모드 평면파에 대한 각 데이터(펄스드모드 평면파의 지향각, 펄스드모드 평면파의 발사지점)를 저장하는 단계; 상기 발사된 각각의 펄스드모드 평면파가 반사되어 돌아오는 각각의 시간과 상기 저장된 각 데이터를 이용하여 상기 발사된 각각의 펄스드모드 평면파가 다다른 각각의 영상깊이를 계산하는 단계; 및 상기 저장된 각 데이터와 계산된 각각의 영상깊이로부터 상기 발사된 각각의 펄스드모드 평면파 중에서 동일 영상점(펄스드모드 평면파의 발사지점, 영상깊이)을 지니는 다수 펄스드모드 평면파를 찾아 선형적으로 중첩하는 단계를 포함하여 초음파영상에서 합성집속에 의해 제한회절빔을 구현하는 방법에 있다.

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

도 4는 지향각 θ로 진행하며 선형지연시간이 인가되는 펄스드모드 평면파를 나타낸 도면이다. 도 4에서 선형트랜스듀서는 x-z좌표상에서 원점을 중심으로 x축상으로 크기D를 취한다. 선형트랜스듀서 각각의 변환소자에 점선과 같은 선형지연시간을 가하여 각각의 진행각도에 대하여 영상깊이방향의 해상도를 갖는 펄스드모드 평면파 Φ_β(x,z,t)_p를 발사한다. 이와 같이 선형지연시간이 인가된 펄스드모드 평면파는 다음 수학식5와 같이 주어진다.

Φ_β(x,z,t)_p= Φ_β(x,z,t) exp (-i ω²t²/σ²)

수학식5에서 t는 펄스드모드 평면파가 영상점(x,z)에 도착한 시간, Φ_β(x,z,t)는 연속평면파, ω는 주파수, σ는 가우시안펄스의 폭을 나타낸다.

그러면 펄스드모드 평면파가 지나가는 면적 내(도 4의 A영역)의 영상만이 얻어지며, 이 펄스드모드 평면파가 지나는 영상점(x,z)는 다음 수학식6의 조건을 만족하여야 한다.

그리고, 발사된 펄스드모드 평면파가 영상점(x,z)에 도착하는 시간 t_(x,z)는 다음 수학식7과 같이 주어진다.

수학식7에서 c는 초음파의 속도이고, β=sinθ,υ=cosθ이다.

그래서, 수학식5와 같이 표현되는 진행방향이 다른 펄스드모드 평면파를 각각 송신한 후 그 송신한 펄스드모드 평면파에 대한 각 데이터(펄스드모드 평면파의 지향각 θ, 펄스드모드 평면파의 발사지점 x)를 저장한다. 그리고 각각의 송신된 펄스드모드 평면파가 영상깊이(z)에 도착한 후 반사되어 돌아오는 각각의 신호를 저장하고, 그 반사되어 돌아오는 각 시간(2t_(x,z))을 이용하여 영상깊이(z)를 계산한다. 즉, 수학식7을 이용하여 영상깊이(z)를 구한다. 이렇게 해서 각 송신된 펄스드모드 평면파가 다다른 영상깊이(z)가 구해지면, 송신된 펄스드모드 평면파에 대한 데이터(펄스드모드 평면파의 지향각 θ, 펄스드모드 평면파의 발사지점 x)와 계산된 영상깊이(z)로부터 발사된 각각의 펄스드모드 평면파 중에서 동일 영상점(x,z)을 지니는 다수 펄스드모드 평면파를 찾아 선형적으로 중첩한다. 이렇게 해서 동일 영상점에서 송신음장으로부터의 제한회절빔(송신집속)이 구현된다. 이러한 방법으로 발사된 펄스드모드 평면파가 스치고 지나간 모든 영상점에서 합성집속을 함으로써 제한회절빔의 구현이 가능하다. 또한, 수신집속을 기존의 동적수신집속(dynamic receive focusing)과 결합하면 모든 영상점에서 송수신집속이 가능하다.

도 5는 5개의 펄스드모드 평면파를 중첩한 송신집속의 예를 나타낸 도면이다. 각각의 펄스드모드 평면파가 영상점(x,z)까지 진행한 시간은 화살표의 진행시간 t_n으로 수학식7을 이용하여 구한다.

도 6은 상술한 방법으로 3차원영상을 얻기위한 원형트랜스듀서로부터 펄스드모드 평면파의 송신을 나타낸 도면이다. 도시한 바와 같이 z축으로부터의 각도 θ, 원통좌표계에서 각도 φ로 진행하는 펄스드모드 평면파(Φ_β)를 도시하였다. 각도 θ,φ가 다른 각각의 펄스드모드 평면파를 발사하여 얻어진 데이터들의 조합으로부터 영상점(x,y,z)의 위치에 송신집속되는 펄스드모드 평면파들을 합성하면 모든 영상점에서의 송신집속이 가능하다. 또한, 동적수신집속과 조합하면 모든 점에서의 송수신집속이 가능한 3차원영상을 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 동일 영상점에서 펄스드모드 평면파들의 합성집속에 의한 제한회절빔의 구현은 송신된 펄스드모드 평면파에 대한 데이터를 조합하여 모든 영상점에서 합성집속을 하므로 한점집속방법에 비하여 간단한 하드웨어로 구현되며, β값의 제한을 받지않고 구현된다. 또한, 측방향해상도가 β값의 영향을 받지않으며, 절단오차도 발생하지않는다.

Claims (4)

1. 진행방향이 각각 다르고 선형지연시간이 인가된 각각의 펄스드모드(pulsed mode) 평면파를 발사하는 단계;

   상기 발사된 각각의 펄스드모드 평면파에 대한 각 데이터를 저장하는 단계;

   상기 발사된 각각의 펄스드모드 평면파가 반사되어 돌아오는 각각의 시간과 상기 저장된 각 데이터를 이용하여 상기 발사된 각각의 펄스드모드 평면파가 다다른 각각의 영상깊이를 계산하는 단계; 및

   상기 저장된 각 데이터와 계산된 각각의 영상깊이로부터 상기 발사된 각각의 펄스드모드 평면파 중에서 동일 영상점을 지니는 다수 펄스드모드 평면파를 찾아 선형적으로 중첩하는 단계를 포함하여 초음파 영상에서 합성집속에 의해 제한회절빔을 구현하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 선형 트랜스듀서에서 발사되는 상기 펄스드모드(p) 평면파(Φ_β(x,z,t)_p)는 다음 수식의 형태로 주어지는 것을 특징으로 하는 초음파 영상에서 합성집속에 의해 제한회절빔을 구현하는 방법.

   Φ_β(x,z,t)_p= Φ_β(x,z,t) exp (-i ω²t²/σ²)

   여기서, β=sinθ, θ는 펄스드모드 평면파의 지향각, x는 펄스드모드 평면파의 발사지점, z는 영상깊이, t는 펄스드모드 평면파가 영상점(x,z)에 도착한 시간, Φ_β(x,z,t)는 연속평면파, ω는 주파수, σ는 가우시안펄스의 폭을 나타낸다.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 발사된 펄스드모드 평면파가 영상점에 도착하는 시간(t_(x,z))은 다음 수식으로 주어지는 것을 특징으로 하는 초음파 영상에서 합성집속에 의해 제한회절빔을 구현하는 방법.

   여기서, c는 초음파의 속도, D는 선형 트랜스듀서의 크기, υ=cosθ이다.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 펄스드모드 평면파의 발사지점(x)과 영상깊이(z)와의 관계는 다음 수식으로 표현되는 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상에서 합성집속에 의해 제한회절빔을 구현하는 방법.